Silicon-Integrated GeSn Mid-Infrared Emitters: Theoretical Modeling and Device Demonstration

Abstract

The insatiable desire for data fueled by the continuous development of new highly connected technologies leads to an input/output bottleneck and excessive energy consumption by the data centers. This tremendous electricity consumption results mainly heat generation, which represents a major issue for the environment and for the electronic devices themselves. Silicon (Si) integrated photonics, compatible with the CMOS processing technologies, has been proposed as a viable solution to extend the bandwidth and reduce power consumption. However, developing efficient and effective Si-based photonic devices is still one of the most arduous tasks to perform due to the indirect bandgap of both Si and germanium (Ge). Indeed, this property severely limits their emission and absorption rates, therefore making them inefficient. Group IV semiconductors alloys have been recently explored as possible materials to overcome this limitation. The Germanium-Tin (GeSn) alloys, for instance, may have a bandgap energy that is adjustable depending on the Sn composition and the lattice strain. They have been attracting a great deal of interest both from the theoretical standpoint for a better understanding of their physical properties and from the experimental side for designing and fabricating efficient devices. With this perspective, a theoretical framework is developed to investigate the luminescence properties of GeSn alloys. This framework relies on the band structure of these materials obtained within the eight-band k.p formalism and combined with the envelope function approximation (EFA) to estimate the absorption and spontaneous emission spectra of single bulk material. Unlike the joint density of states (JDOS) model, in which the momentum matrix element is considered constant, the oscillator strengths are explicitly computed in our model. They are also shown to be dependent on the wave vector k and the polarization of the incident electromagnetic field. Furthermore, a simple though accurate method is used to compute the integrals over the first Brillouin zone (BZ). This approach accounts explicitly for the impact of the lattice strain on the representative directions of the k-space. Next, using the framework mentioned above, the photoluminescence (PL) properties of both strained and relaxed GeSn were investigated. The differences between our approach and the JDOS model were highlighted at each step of the computations. Besides, the model was shown to fit the experimental data, and a value of ~ 1.6 ns was extracted at 4 K for the steady-state radiative carrier lifetime (τrad) of the as-grown Ge0.83Sn0.17 sample. This lifetime increases with the temperature while staying in the order of ns over the 4-80 K temperature range. Furthermore, the strain relaxation in the material was shown to increase τrad.

Alternate abstract:

Le développement de technologies de plus en plus innovantes combiné à notre insatiable appétit pour les données conduit à une demande grandissante en bandes passantes et une consommation excessive d'énergie par les centres de données. Cette énorme consommation d'électricité se traduit majoritairement par une dissipation d'énergie sous forme de chaleur aussi bien néfaste pour l'environnement que pour les dispositifs électroniques eux-mêmes. L'introduction de la photonique intégrée sur silicium (Si), compatible avec la technologie CMOS, a été proposée pour remédier à ces problèmes. Cependant, le développement de dispositifs photoniques efficaces et performants reste une tâche ardue du fait de la bande interdite indirecte du Si et du germanium (Ge). En effet, cette propriété limite sévèrement les taux d'émission et d'absorption de ces matériaux, les rendant donc inefficaces. Dans le but de trouver une solution à cette inefficacité, la piste des alliages semi-conducteurs du groupe IV a récemment été explorée. Les alliages de germanium-étain (GeSn) par exemple, présentent une possibilité d'obtenir une bande interdite directe ajustable en fonction de la composition de Sn et de la contrainte appliquée au matériau. Ils ont et continuent de susciter énormément d'intérêt aussi bien du point de vue théorique pour une meilleure compréhension de leurs propriétés optiques que du point de vue expérimental pour la conception de dispositifs. Dans cette optique, un cadre théorique est développé pour étudier les propriétés de luminescence des alliages de GeSn. Il s'appuie sur le modèle k.p à huit bandes, combiné à l'approximation de la fonction d'enveloppe (EFA) pour estimer les spectres d'absorption et d'émission spontanée d'un matériau massif unique. Contrairement au modèle de densité conjointe d'états (JDOS), dans lequel l'élément de matrice de quantité de mouvement est considéré constant, les forces des transitions optiques sont explicitement calculées dans notre modèle. On montre également qu'elles dépendent du vecteur d'onde k et de la polarisation du champ électromagnétique incident. En outre, une méthode relativement simple est utilisée pour estimer les intégrales sur la première zone de Brillouin. Cette approche tient compte explicitement de l'impact de la déformation du réseau sur les directions dites représentatives de l'espace réciproque. Ensuite, le modèle développé est utilisé pour étudier les propriétés de photoluminescence (PL) des couches de GeSn déformées et relaxées.