Tensilely strained germanium nanomembranes for infrared light emitting devices
Kızılötesi ışık saçan aygıtlar için çekme gerinimli germanyum nanozarlar
- Tez No: 920079
- Danışmanlar: PROF. DR. ROBERTO PAİELLA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boston University
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 155
Özet
Grup-IV yarıiletken lazerlerin geliştirilmesi, son yıllarda büyük ilgi görmektedir çünkü bu teknolojiler, CMOS uyumlu bir şekilde elektronik ve fotoniğin büyük ölçekli monolitik entegrasyonu için eksik olan temel bileşeni temsil etmektedir. En büyük zorluk, dolaylı bant aralıklı grup-IV malzemelerinin verimli ışık kaynakları hâline dönüştürülmesidir. Birçok araştırmacı, mevcut çipten çipe iletişim teknolojisini optik bağlantılarla değiştirmek amacıyla, bu malzemelerin yakın kızılötesi (NIR) spektral bölgesindeki ışık yayma verimliliğini artırmaya odaklanmıştır. Aynı zamanda, orta kızılötesi (MIR) dalga boylarında çalışan grup-IV lazerleri de eser gaz tespiti, çevresel izleme, tıbbi teşhis ve endüstriyel süreç kontrolü gibi kimyasal ve biyolojik algılama alanlarında önemli uygulamalara sahiptir. Bu uygulamalardan ilham alarak, burada germanyumun (Ge) ışık yayma verimliliğini artırmaya odaklanılmıştır. Germanyumun direk ve dolaylı bant aralığı arasındaki küçük enerji farkı, çekme gerinimi uygulanarak daha da azaltılabilir ve bu da ışık yayma verimliliğinde önemli bir iyileşme sağlar. Aynı zamanda, bant aralığı enerjisi, teknolojik olarak önemli olan 2,1-2,5 µm MIR atmosferik iletim penceresine kaymaktadır. %1,9 çekme geriniminde, Germanyum direk bant aralıklı bir yarıiletken hâline bile gelir. Bu çalışmada, çekme gerinimi, nano ölçekteki kalınlıklara sahip tek kristal tabakalar olan Germanyum nanomembranlara (NM'ler) mekanik stres uygulanarak kazandırılmıştır. Bu NM'ler üzerinde gerçekleştirilen gerinime bağlı fotolüminesans (PL) ölçümleri, gerinim arttıkça ışıma spektrumunda belirgin bir kırmızıya kayma ve güçlenme olduğunu göstermektedir. 24 nm kalınlığındaki bir NM ile yapılan PL ölçümleri, %2 çekme gerinimi uygulandığında membranın direk bant aralıklı Germanyum hâline dönüştüğünü ortaya koymaktadır. Ayrıca, yüksek gerinimli PL spektrumlarının teorik analizi, bu ultra ince NM'lerde 300 cm⁻¹ gibi yüksek kazanç değerleriyle popülasyon terslemesinin elde edilebileceğini göstermektedir. Bu tür membranların üst yüzeyine üretilen iki boyutlu periyodik yapılar, düzlem içi yayılan lüminesansın birinci dereceden kırınımı yoluyla ışık toplama verimini daha da artırmaktadır. Ayrıca, bu periyodik yapıların boşluk modları da gerinim bağımlı PL spektrumlarında gözlemlenmiştir. Elde edilen bu sonuçlar, biyokimyasal algılama ve spektroskopi gibi potansiyel uygulamalar için, teknolojik olarak önemli 2,1-2,5 µm spektral bölgesinde çalışan Germanyum NM lazerlerinin gösterimi açısından umut vericidir.
Özet (Çeviri)
The development of group-IV semiconductor lasers has attracted significant attention in recent years, since it represents the key missing ingredient for the large-scale monolithic integration of electronics and photonics in a CMOS-compatible fashion. The main challenge is to convert the indirect-bandgap group-IV materials into efficient light emitters. Many researchers have focused on improving the light emission efficiency of these materials in the near-infrared (NIR) spectral region, to replace the existing chip-to-chip communication technology with optical links. At the same time, group-IV lasers operating at mid-infrared (MIR) wavelengths also possess many important applications, mainly in the area of chemical and biological sensing, such as trace-gas detection, environmental monitoring, medical diagnostics, and industrial process control. Motivated by these applications, here I focus on improving the light emission efficiency of germanium (Ge). The small energy difference between its direct and indirect bandgaps can be further decreased with the introduction of tensile strain, leading to significantly improved radiative efficiency. At the same time, the bandgap energy shifts into the technologically important 2.1-2.5 µm MIR atmospheric transmission window. At 1.9% viii tensile strain, Ge even becomes a direct-bandgap semiconductor. In this work, tensile strain is introduced in Ge nanomembranes (NMs), i.e., single-crystal sheets with nanoscale thicknesses, through the application of mechanical stress. Our strain-resolved photoluminescence (PL) measurements performed on these NMs demonstrate a significant red-shift and enhancement in the emission spectra with increasing strain. PL measurement results obtained with a 24-nm-thick NM also reveal that the membrane is converted into direct-bandgap Ge with the application of 2% tensile strain. Furthermore, theoretical analysis of the high-strain PL spectra shows that population inversion can be achieved in these ultrathin NMs with gain values as high as 300 cm-1. Two-dimensional periodic structures fabricated on the top surface of such membranes result in further enhanced light collection through first-order diffraction of the in-plane emitted luminescence. Furthermore, the cavity modes of these periodic structures are also resolved in the strain-dependent PL spectra. These results are promising for the demonstration of Ge NM lasers operating in the technologically important 2.1-2.5 µm spectral region for potential applications in biochemical sensing and spectroscopy.
Benzer Tezler
- Design and fabrication of strained light emitting germanium microstructures by liquid phase epitaxy
Sıvı faz epitaksi yöntemiyle geliştirilmiş çekme gerinimli ışık saçan germanyum microyapılarının tasarımı ve üretimi
BUSE ÜNLÜ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELÇUK YERCİ
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÇİÇEK HATİCE BOZTUĞ YERCİ
- Strain induction on Ge nanobeams by electrostatic actuation
Ge nanokirişler üzerine elektrıksel hareketlendirme ile gerinim oluşumu
ARMAN AYAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SELÇUK YERCİ
- Mikro çelik tellerin yüksek dayanımlı harçların bazı mekanik özelliklerine etkisi
Effect of micro steel wire on some mechanical properties of high strength mortar
MUSTAFA TEKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
İnşaat MühendisliğiBozok Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SELÇUK EMRE GÖRKEM
- Kompozit plakların balistiğinde bazı basitleştirilmiş yaklaşımların sayısal irdelenmesi
Numerical investigation of some simplified approaches in composite plate ballistics
UĞUR DOĞAN
Doktora
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
- A theoretical study of strained monolayer transition metal dichalcogenides based on simple band structures
Tek katmanlı gerinimli geçiş metali kalkojenitleri için basit bant yapısına dayalı kuramsal bir çalışma
SHAHNAZ AAS
Doktora
İngilizce
2019
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEYHUN BULUTAY