5nmの金ナノ粒子を用いた高張力歪みGeの室温での直接遷移型フォトルミネッセンスの強力な増強

Strong enhancement of direct transition photoluminescence at room temperature for highly tensile-strained Ge decorated using 5 nm gold nanoparticles.

• Ghada Dushaq
• Bruna Paredes
• Mahmoud Rasras

抄録

ゲルマニウムのひずみ工学は、最近非常に大きな関心を集めています。このアプローチの第一の目標は、機械的ひずみを利用してGeの電気的および光学的特性を調整し、最終的にシリコン技術と互換性のあるオンチップ光源を実現することです。さらに、これは高速光電子応用のための電気的性能の向上につながる可能性がある。本論文では、深さ制御ナノインデンテーションプロセスを用いて、事前にパターン化された(110)GaAs基板上に高張力歪みGeアイランドを形成することを実証した。その結果、ナノインデンテーションプロセスのパラメータを最適化することで、機械的にスタンプされた基板からGeアイランドに最大約2%の二軸引張ひずみが伝達されることを示した。われわれは、島のフォトルミネッセンス(PL)発光特性を観察することで、われわれの測定結果を検証した。室温では波長1.9μm(650meV)付近で強い発光が観測された。このひずみ誘起赤方偏移は理論的な予測と一致し、直接Geバンドギャップが形成されていることを明らかにした。さらに、5nmの金ナノ粒子でGe島を装飾した場合には、直接遷移のPL発光が6.5倍に増大することを示した。これは、より長い光路長の相互作用とプラズモニック誘起の高磁場増強により、Ge島の光吸収が増加したためである。さらに、結果は、GNPがナノスケールの金属-ゲルマニウムショットキー界面でのエネルギーバンド構造とキャリアの輸送を大幅に変調できることを示している。このマスクレスな物理的アプローチは、実用的なCMOS互換集積レーザーへの道筋を提供することができる。さらに、革新的な光電子デバイスの設計の可能性を開く。

Strain engineering of germanium has recently attracted tremendous research interest. The primary goal of this approach is to exploit mechanical strain to tune the electrical and optical properties of Ge to ultimately achieve an on-chip light source compatible with silicon technology. Additionally, this can result in enhanced electrical performance for high-speed optoelectronic applications. In this paper, we demonstrate the formation of highly tensile-strained Ge islands grown on a pre-patterned (110) GaAs substrate using a depth controlled nanoindentation process. Results show that a biaxial tensile strain, up to ∼2%, can be transferred from the mechanically stamped substrate to Ge islands by optimizing the parameters of the nanoindentation process. We verified our measurements by observing the islands' photoluminescence (PL) emission properties. A strong emission at room-temperature was observed around the wavelength of 1.9 µm (650 meV). This strain-induced redshift of the PL spectra is consistent with theoretical predictions, revealing a direct Ge bandgap formation. Furthermore, we demonstrate a significant 6.5x enhancement in the PL emission signal of the direct-transition when the Ge islands are decorated by 5 nm gold nanoparticles. This is attributed to a longer optical path length interaction and a plasmonic induced high-field enhancement which increases the light absorption in the Ge islands. Furthermore, results show that GNPs can significantly modulate the energy band structure and the carrier's transportation at the nanoscale metal-germanium Schottky interface. This maskless physical approach can offer a pathway towards a practical CMOS-compatible integrated laser. Additionally, it opens possibilities for designing innovative optoelectronic devices.