Silisyum germanyum çoklu kuantum kuyuları içeren yüksek verimli optoelektronik aygıtlar

Autor: Yeşilyurt, Alper
Přispěvatelé: Okyay, Ali Kemal, Diğer
Rok vydání: 2011
Předmět:
Popis: Silisyum (Si) tabanlı tümler metal-oksit-yarıiletken (CMOS) teknolojisi elektronik sinyal işleme için düşük maliyetli ve tekrarlanabilir bir üretim ortamı sağlar. Elektronik endüstrisi aygıt hızları ve yoğunlukları göz önüne alındığında önemli ölçüde gelişti. Bununla birlikte, bugünün tek bir tümdevrede yüksek işlemsel veri hızına sahip milyonlarca tranzistörler içeren mikroişlemcilerin fabrikasyonu için çok büyük çapta tümleşik (VLSI) elektronik devreler içeren gelişmiş CMOS işlem süreçleri gerekmektedir. Bu noktada, bugünün devrelerinin artan hız eğilimi elektriksel arabağlantıların RC çarpanından kaynaklanan gecikmeler nedeniyle büyük ölçüde duraksama yaşadı. Güç yitimi ve elektromanyetik girişim sorunlarından kaynaklanan sinyal zayıflaması bugünün teknolojisinin başarımını etkileyen fiziksel engellerdir. Bu noktada, Si CMOS devrelerinin üzerine iletişim dalga boylarında çalışan (~1.3-1.5 ?m) optik arabağlantı ağları kurulması fikri ön plana çıkar. Bu gelecek vaat eden fikir elektriksel bağlantıların fiziksel engellerini ortadan kaldıran optik bilgi işleme ortamı sunar. Si tabanlı optoelektronik aygıtlar indirekt (~1.12 eV) ve direkt (~3.4 eV) yasak bant enerjileri nedeniyle yakın kızılberisi dalgaboylarında kördür. Bugüne kadar, III-V grubu bileşikler ve özellikle InGaAs tabanlı algılayıcılar yakın kızılberisi uygulamalar için en gelişmiş aygıtlardır. Fakat, malzeme maliyetlerinin yüksekliği ve Si CMOS teknolojisiyle tümleşim zorlukları nedeniyle sınırlı piyasa büyümesine sahiptir. Bu noktada, Germanyum (Ge), indirekt (~0.66 eV) ve direkt (~0.8 eV) yasak bant enerjileri sayesinde Silisyumun spektral sınırlamalarının üstesinden gelerek yakın kızılberisi dalgaboylarındaki uygulamalar için umut vaat eder. Ayrıca, dislokasyonları azaltan ve geleneksel CMOS teknolojisiyle tektaş tümleşimi sağlayan yeni geliştirilmiş bir heteroepitaksi yöntemi (MHAH) sayesinde Si ve Ge arasındaki örgüsel uyumsuzluk sorunu çözülmüştür. Bu tez kapsamında, optik arabağlantı yapılarının temel öğeleri olan p-i-n fotoalgılayıcı ve elektrosoğrulma kipleyicisi mimarilerinin fabrikasyon, aygıt ve malzeme karakterizasyonu gerçekleştirildi. Bir elektrosoğrulma mekanizması olan kuantum sınırlamalı Stark etkisini (QCSE) kullanmak amacıyla Ge/SixGe1-x çoklu kuantum kuyusu (MQW) yapıları p-i-n mimarilerinin katkısız kısımlarında kullanılmıştır. Gösterilen fotoalgılayıcılar düşük karanlık akımı (~5 mA/cm2 ve -1 V) ve yüksek duyarlılık (~0.33 A/W, 1310 nm ve 0 V) sergiledi. Gösterilen elektrosoğrulma kipleyicileri özellikle C-bantı (1530-1565 nm) iletişim dalgaboyu alanında olmak üzere çok yüksek soğrulma katsayısı kontrastı (3.41, 1550 nm ve 3 V) sergiledi. Alakalı dalga boylarındaki III-V tabanlı elektrosoğrulma kipleyiciler ile çok benzer kiplenim başarıları sağlandı. Gösterilen fotoalgılayıcılar ve elektrosoğrulma kipleyicileri optik arabağlantı sistemlerinin yüksek başarımlı yapıtaşlarıdır. Silicon (Si) based complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology provides a low cost platform and reproducible processing for electronic signal processing and electronic industry has significantly flourished in terms of increased device densities and speeds. All the same, advanced CMOS processes associated with the very large scale integrated (VLSI) circuits are required for the fabrication of today?s advanced microprocessors comprising billions of transistors per single chip with higher operational data rates. Herein, increasing trend for the speed of current circuits is hampered due to the delays of electrical interconnects that basically arise from RC factor. Signal attenuation due to power dissipation and electromagnetic interference issues are further physical bottlenecks that affect the performance of current technology. At this point, an idea proposes the development of optical interconnect network layers on Si CMOS circuitry operating at telecommunications wavelength range (~1.3-1.5 ?m). This promising conception enables optical information processing and offers a platform that overcomes the physical restrictions of electrical interconnects. Si based optoelectronic devices are near-infrared-blind due to large indirect (~1.12 eV) and direct band gap (~3.4 eV) energies. To date, III-V compounds and especially InGaAs based detectors are ?state-of-the-art? optical devices that are used for near-infrared (NIR) applications. However, due to high material cost and difficult integration with Si CMOS technology they have limited market growth. At this point, germanium (Ge) is a promising candidate for NIR applications with its suitable indirect (~0.66 eV) and direct (~0.8 eV) band gap, which overcomes spectral limitations of Si. Additionally, lattice mismatch (~4.2%) problem among Si and Ge is worked out by novel heteroepitaxial growth technique (MHAH), which reduces the threading dislocations and enables the monolithic integration with conventional CMOS technology. For the scope of the thesis, fabrication, material characterization and device characterizations of p-i-n photodetector and electro-absorption modulator architectures, which are the key elements of a basic optical interconnect structure, are performed. Ge/SixGe1-x multi quantum well (MQW) structures are utilized in the intrinsic layer to exploit the electro-absorption mechanism of quantum-confined Stark effect (QCSE). Represented photodetectors exhibit low dark current (~5 mA/cm2 at -1 V) and high responsivity (~0.33 A/W at 1310 nm and 0 V). Demonstrated electro-absorption modulators exhibit very high absorption coefficient contrast (3.41 at 1550 nm and 3 V) especially for conventional C-band (1530-1565 nm) telecommunication wavelength range and low insertion loss (0.2 dB at 1540 nm). Modulation performance is highly comparable with the electro-absorption modulators based on direct gap III-V compounds at the wavelength range of interest. Demonstrated photodetector and electro-absorption modulators are the high performance building blocks of an optical interconnect system. 78
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: