Tuning the optical properties of silicon nanowires by ultra-high strain and plasmonic coupling

Abstract

Enormes Wachstum des weltweiten Datenvolumens führt zu einer immer größer werdenden Nachfrage an komplexen und dicht gepackten Halbleiterbauteilen. Deren industrielle Entwicklung wurde über Jahre hinweg vom Moor'schen Gesetz bestimmt. Mit der am Limit angekommenen Bauteil-Skalierung verursacht die elektrische Verdrahtung dieser Bauteile immer mehr Geschwindigkeits- und Leistungseinbußen und wird dadurch zum Flaschenhals. Optische Signalwege erscheinen dabei als einzig mögliche Lösung. Die Entwicklung von siliziumbasierten optischen Komponenten schreitet stetig voran, aufgrund der indirekten Bandlücke ist die Realisierung einer Lichtquelle aber nach wie vor herausfordernd. Darüber hinausgehend leidet die Detektion und Umwandlung von Licht unter dem großen Bandabstand, wodurch Silizium transparent für infrarotes Licht ist. Die Halbleiterindustrie zielt daraufhin ab ein komplettes Set an siliziumbasierten optoelektronischen Bauelementen zu entwickeln, die mit der Ezienz und den Abmessungen von rein elektronischen Bauelementen konkurrieren können. Forscher haben bereits vielfach versucht die optischen Eigenschaften von Silizium zu modulieren, um die Ezienz und Transparenzprobleme zu überwinden. Diese Arbeit zeigt in Anlehnung an neueste Forschungsergebnisse, dass sowohl tensile Verspannung als auch plasmonische Kopplung als Methoden zur Optimierung der optischen Eigenschaften von Silizium-Nanodrähten geeignet sind. Im Rahmen der ersten Experimentenreihe wurden elektrische und optische Eigenschaften von intrinsischen, h111i-orientierten Silizium-Nanodrähten unter ultra-hoher tensiler Verspannung untersucht. Die Verspannung erreicht dabei das elastische Limit von 10%, wodurch eine Aufspaltung der dreifach degenerierten Phonon-Mode im Ramanspektrum erfolgt. Die Leitfähigkeit der Drähte steigt dabei um mehr als vier Zehnerpotenzen. Photostrommessungen zeigen eine Rotverschiebung der Absorptionskante um 16 meV/%. In der zweiten Experimentenreihe wird eine elektrische Lichtquelle mit modulierbarer Wellenlänge gezeigt. Dabei werden die plasmonischen Moden eines Silber-Resonators mit dem intrinsischen Spektrum der heißen Ladungsträger eines p-n Übergangs im Durchbruch gekoppelt. Durch Adaption der Zustandsdichte kann über den Purcell-Effekt eine deutliche Verstärkung von phononenunterstützter Rekombination an der Resonanzfrequenz erreicht werden. Die Resonanzfrequenz ist dabei über die Größe des Resonators verstimmbar und verschiebt sich zu höheren Wellenlängen mit zunehmendem Durchmesser.

The combination of Moore's law and Dennard's scaling rules have constituted the fundamental guidelines for the silicon-based semiconductor industry for decades. Furthermore, the enormous growth of global data volume has pushed the demand for complex and densely packed devices. In recent years, it has become clear that wired interconnects impose increasingly severe speed and power limitations onto integrated circuits as scaling slows towards a halt. To overcome these limitations, there is a clear need for optical data processing. Despite signicant progress in the development of silicon photonics, light sources remain challenging owing to the indirect bandgap of group IV materials. Moreover, light detection and conversion suer from the quite large bandgap which renders silicon transparent to infrared radiation. It is therefore highly desirable to develop new concepts for a complete set of silicon-based, opto-electronic devices that meet eciency and footprint requirements similar to their electronic counterparts. Researchers have been pushing several approaches in their quest to tune the optical properties of silicon and cope with the eciency and transparency issues. In line with recent development, this work demonstrates that both hot-carrier physics and strain engineering are versatile tools in increasing light emission from and absorption in silicon nanowires. The rst set of experiments identies electrical and optical properties of intrinsic, h111i-oriented silicon nanowires that are subject to ultra-high tensile strain. The applied strain level approaches the elastic limit at about 10% strain, accompanied by a lifting of the three-fold degenerate phonon mode in the Raman spectrum. Moreover, the ultra-high strain level provokes a drop in the resistivity of more than four magnitudes. Photocurrent characterization proves a straininduced red-shift of the absorption edge with a rate of 16 meV per % strain. The second set of experiments demonstrates an electrically-driven and tunable silicon light source by matching the resonant modes of a silver plasmon nanocavity with the intrinsic hot luminescence spectrum of avalanching p-n and Schottky junctions. The cavity signicantly enhances phonon-assisted recombination of hot-carriers by tailoring the local density of states at the resonance frequency via the Purcell eect. The resonance frequency of the cavity proved to be size-tunable and shifts from the visible towards the near-infrared regime with increasing diameter.