Zur Seitenansicht
 

Titelaufnahme

Titel
Temporally and Spatially Resolved NIR Photoluminescence Spectroscopy on Si-based Photonic Structures / submitted by DI Mag. Florian Hackl
AutorInnenHackl, Florian
Beurteiler / BeurteilerinFromherz, Thomas ; Strasser, Gottfried
Betreuer / BetreuerinFromherz, Thomas
ErschienenLinz, 2017
Umfangxi, 165 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Linz, Dissertation, 2017
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Siliciumverbindungen / Quantenpunkt / Optische Datenverarbeitung / Photolumineszenzspektroskopie / Moiré-Streifen
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-19780 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist gemäß den "Hinweisen für BenützerInnen" verfügbar
Dateien
Temporally and Spatially Resolved NIR Photoluminescence Spectroscopy on Si-based Photonic Structures [35.58 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Englisch)

The research field of silicon photonics aims at combining photonic and electronic components into an all-integrated, CMOS compatible platform for data processing systems. A main challenge is the development of efficient Si-based light sources in the telecom wavelength range which allows to replace metal wiring between and within microchips by optical interconnects. Furthermore, efficient single photon sources are a prerequisite for future integrated quantum optic devices. To overcome the poor optical properties of the indirect semiconductor materials Si and Ge, a promising approach is the growth of SiGe quantum dots (QDs) and the control of their emission properties by embedding them into Si-photonic structures. In the presented work fundamental optoelectronic properties of SiGe QD are investigated by photoluminescence (PL) spectroscopy on bare SiGe QD as well as on SiGe QDs embedded into photonic structures. ^Time-resolved PL measurements have been performed to gain insight into the PL dynamics and emission broadening mechanisms of randomly nucleated and site-controlled SiGe QDs. In order to quantify lifetimes of different recombination processes, a PL decay model was adapted and utilized as fitting routine for the recorded PL decay traces. Furthermore, different recombination channels in SiGe QDs with a Ge lean core were identified by controlled laser excitation of e-h pairs above and below the wetting layer.

Variations of the spontaneous emission of ordered SiGe QDs in dependence of the QDs position within the unit cell of a two dimensional photonic crystal (PhC) slab were investigated by a systematic positioning of QDs based on the Moiré effect. The dimensions of the hexagonal air hole pattern of the PhC slab and the SiGe QD array were chosen slightly different resulting in a Moiré pattern. ^As a consequence, within one Moiré period all relative positions of the QDs with respect to the PhCs unit cell were realized which allows for all optical super-resolution PL maps monitoring variations of PL yields as a function of the QD position within the unit cell of PhC. By additional, complementary time-resolved measurements and simulations the observed PL yield variations were attributed to the differences in the local density of states. Similarly, a single SiGe QD embedded into a PhC L3 cavity was used as a probe to map the local density of states. Overall, good agreement of the PL yield with the calculated electric field energy distribution has been demonstrated. Possible reasons for the deviations of the experimental findings with the expected values as determined by simulations were addressed by analyzing additional time-resolved measurements. The potential of state of the art SiGe QDs embedded into high-Q PhC cavities as single photon source are discussed. ^Finally a novel type of Ge quantum dots (named GIB dots or Ge-DEQDs) with extraordinary optical properties based on defect engineering is introduced. By embedding these QDs into microdisk resonators, optically pumped laser emission could be demonstrated.

Zusammenfassung (Deutsch)

Silizium-Photonik zielt darauf ab, photonische und elektronische Komponenten zu einer vollständig integrierten, CMOS-kompatiblen Plattform für Datenverarbeitungssysteme zu entwickeln. Die zentrale Herausforderung dabei ist die Realisierung effizienter, Si-basierter Lichtquellen im Telekommunikationswellenlängenbereich, die es ermöglichen, die metallischen Leiterbahnen für die Übertragung elektrischer Impulse zwischen und innerhalb von Mikrochips durch wesentlich schnellere und verlustärmere optische Datenübertragung zu ersetzen. Darüber hinaus sind effiziente Einzel-Photonen-Quellen eine Voraussetzung für zukünftige integrierte quantenoptische Bauelemente. Ein vielversprechender Ansatz zur Vergrößerung der wegen der indirekten Bandlücke von Si und Ge kleinen Photonenemissionswahrscheinlichkeit ist die Verwendung von SiGe-Quantenpunkten (QP) und die Kontrolle ihrer Emissionseigenschaften durch das Einbetten der QP in photonische Strukturen. ^In der vorliegenden Arbeit werden grundlegende optoelektronische Eigenschaften von SiGe QP durch Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie an QP innerhalb und außerhalb von nano-photonischen Strukturen untersucht. Durch kontrollierte Laseranregung von Elektron-Loch Paaren oberhalb und unterhalb der Quantendotschicht wurden verschiedene Rekombinationskanäle in SiGe QP identifiziert. Um Einblick in die PL-Dynamik und die Emissionsverbreiterungsmechanismen von ungeordneten sowie geordneten SiGe QP zu erhalten, wurden zeitaufgelöste PL-Messungen durchgeführt. Zur Quantifizierung der Lebensdauer verschiedener Rekombinationsprozesse wurde ein PL-Rekombinationsmodell erweitert und daraus eine nummerische Anpassungsroutine für experimentell ermittelte PL-Transienten entwickelt.

Des Weiteren wurden Variationen der spontanen Emissionsraten geordneter SiGe QP in Abhängigkeit von ihrer Position innerhalb der Elementarzelle eines zweidimensionalen photonischen Kristalls untersucht. ^Die exakte und systematische Positionierung wurde mit Hilfe des Moiré-Effekts erreicht. Dabei wurden die Abmessungen des hexagonalen Lochmusters des photonischen Kristalls und des geordneten SiGe QP-Feldes geringfügig unterschiedlich gewählt, woraus ein Moiré-Muster resultiert. Innerhalb einer Moiré-Periode werden dadurch alle Positionen innerhalb der Einheitszelle des photonischen Kristalls von QP besetzt, was ein rein optisches, hochauflösendes Abbilden von PL Variationen in Abhängigkeit der QP Positionen innerhalb der Einheitszelle des photonischen Kristalls ermöglicht. Durch zusätzliche zeitaufgelöste Messungen und Simulationen konnten die beobachteten PL-Intensitätsschwankungen auf Unterschiede in der lokalen Zustandsdichte zurückgeführt werden. In ähnlicher Weise wurden einzelne, in einen photonischen Kristallresonator eingebettete SiGe-QP verwendet, um die lokale Zustandsdichte zu bestimmen. ^Dabei konnte eine gute Übereinstimmung der PL-Ausbeute mit der berechneten elektrischen Energiedichte gezeigt werden. Mögliche Ursachen für die beobachteten Abweichungen der experimentellen Befunde von den simulierten Werten wurden anhand von Resultaten ergänzender zeitaufgelöster PL Messungen diskutiert. Darüber hinaus wurde das Potential von in Resonatoren eingebetteten SiGe QP als mögliche Einzel-Photonen-Quellen behandelt und Ergebnisse von ersten Korrelationsmessungen präsentiert. Schließlich wird in der vorliegenden Arbeit ein neuartiger Ge-QP Typ (GIB-Punkte oder Ge-DOQP) mit außergewöhnlichen optischen Eigenschaften, die durch gezielten Defekteinbau erreicht wurden, vorgestellt. Durch Einbetten dieser QP in Mikrodisk-Resonatoren konnte optisch gepumpte Laseremission nachgewiesen werden.

Statistik
Das PDF-Dokument wurde 31 mal heruntergeladen.