Project

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Ultra highly strained semiconductors: materials for new applications

English title Ultra highly strained semiconductors: materials for new applications
Applicant Sigg Hans
Number 162658
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Mikro- und Nanotechnologie Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.10.2015 - 30.09.2020
Approved amount 400'297.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Condensed Matter Physics
Material Sciences
Microelectronics. Optoelectronics

Keywords (4)

Strained semiconductors; direct bandgap Ge; Moore's law; synchrotron-x-ray

Lay Summary (German)

Lead
In der modernen Halbleitertechnologie ist mechanische Verspannung eine bewährte Methode, um die elektrischen und optischen Eigenschaften von Halbleiterschichtstrukturen bestehend aus Silizium, Germanium oder auch GaAs zu kontrollieren und zu modifizieren. Daher wird sie häufig zur Optimierung von Halbleiter-basierten Komponenten wie Computerprozessoren und Laserlichtquellen eingesetzt.Dank einer neuartigen Methode können wir hier die physikalischen Eigenschaften von hoch-verspannten Materialien untersuchen und damit neue Erkenntnisse gewinnen und auch neue Anwendung erschliessen.
Lay summary

Ultra-high strained semiconductors: materials for new applications

LEAD

In der modernen Halbleitertechnologie ist mechanische Verspannung eine bewährte Methode, um die elektrischen und optischen Eigenschaften von zum Beispiel Silizium zu modifizieren und wird daher häufig zur Optimierung von Halbleiter-basierten Komponenten wie Computerprozessoren und Laserlichtquellen eingesetzt. Üblicherweise wird Verspannung mittels Kristallwachstum erzeugt, für gewünschte Verspannungen von einigen Prozent ist dies aber nur für atomar-dünne Schichten möglich.

CONTENT

Die hier angewendete mikro-mechanische Verspannungstechnologie ist dieser Einschränkung nicht unterworfen. Sie besteht aus freitragenden Mikro-Brücken-Strukturen, die auf üblichen Si-Substraten mittels herkömmlicher Halbleiterprozessierung hergestellt werden. Die Methode ist einfach und universell einsetzbar und daher nicht nur für Anwendungen im Bereich der Elektronik und Optik, sondern ebenso für Untersuchungen von Materialeigenschaften weit über das bisher bekannte Verspannungsniveau hinaus interessant.

CONTEXT SCIENCE and SOCIETY

Dank Innovationen in der Si-Technologie konnte die Leistungsfähigkeit von Computer-Systemen stetig gesteigert werden. Beispiel dafür ist die in den vergangenen 50 Jahren erreichte millionenfache Kostenreduktion pro Transistor die als „Moore’s Law“ bekannt ist. Um diese Entwicklung weiter zu führen, sind neue Lösungsansätze nötig. Verspannte Halbleiterschichten bieten hierbei eine Lösung. Auf das kompatible Germanium angewandt, führt unsere Methode zu einer Effizienzsteigerung der Lichtemission dank Veränderung der Bandstruktur. Diese Modifikation könnte zu einem Si-kompatiblen Laser führen – eines der Hauptziele unserer Arbeit – und damit Türen öffnen für neuartige Si-basierte elektro-optische Anwendungen, was die Erfolgsgeschichte vom „Moore’s Law“ verlängern dürfte.

Direct link to Lay Summary Last update: 13.12.2016

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Lasing in strained germanium microbridges
Armand Pilon F. T., Lyasota A., Niquet Y.-M., Reboud V., Calvo V., Pauc N., Widiez J., Bonzon C., Hartmann J. M., Chelnokov A., Faist J., Sigg H. (2019), Lasing in strained germanium microbridges, in Nature Communications, 10(1), 2724-2724.
GeSn Lasers Covering a Wide Wavelength Range Thanks to Uniaxial Tensile Strain
Chrétien Jérémie, Pauc Nicolas, Armand Pilon Francesco, Bertrand Mathieu, Thai Quang-Minh, Casiez Lara, Bernier Nicolas, Dansas Hugo, Gergaud Patrice, Delamadeleine Eric, Khazaka Rami, Sigg Hans, Faist Jerome, Chelnokov Alexei, Reboud Vincent, Hartmann Jean-Michel, Calvo Vincent (2019), GeSn Lasers Covering a Wide Wavelength Range Thanks to Uniaxial Tensile Strain, in ACS Photonics, 6(10), 2462-2469.
Epitaxy of Si-Ge-Sn-based heterostructures for CMOS-integratable light emitters
von den Driesch Nils, Stange Daniela, Rainko Denis, Breuer Uwe, Capellini Giovanni, Hartmann Jean-Michel, Sigg Hans, Mantl Siegfried, Grützmacher Detlev, Buca Dan (2019), Epitaxy of Si-Ge-Sn-based heterostructures for CMOS-integratable light emitters, in Solid-State Electronics, 155, 139-143.
GeSn/SiGeSn Heterostructure and Multi Quantum Well Lasers
Stange Daniela, von den Driesch Nils, Zabel Thomas, Armand-Pilon Francesco, Rainko Denis, Marzban Bahareh, Zaumseil Peter, Hartmann Jean-Michel, Ikonic Zoran, Capellini Giovanni, Mantl Siegfried, Sigg Hans, Witzens Jeremy, Grützmacher Detlev, Buca Dan (2018), GeSn/SiGeSn Heterostructure and Multi Quantum Well Lasers, in ACS Photonics, 5(11), 4628-4636.
(Invited) Epitaxy of Direct Bandgap Group IV Si-Ge-Sn Alloys towards Heterostructure Light Emitters
von den Driesch Nils, Stange Daniela, Rainko Denis, Povstugar Ivan, Breuer Uwe, Ikonic Zoran, Hartmann Jean-Michel, Schubert Markus Andreas, Capellini Giovanni, Sigg Hans, Mantl Siegfried, Grützmacher Detlev, Buca Dan (2018), (Invited) Epitaxy of Direct Bandgap Group IV Si-Ge-Sn Alloys towards Heterostructure Light Emitters, in ECS Transactions, 86(7), 189-197.
Advanced GeSn/SiGeSn Group IV Heterostructure Lasers
von den Driesch Nils, Stange Daniela, Rainko Denis, Povstugar Ivan, Zaumseil Peter, Capellini Giovanni, Schröder Thomas, Denneulin Thibaud, Ikonic Zoran, Hartmann Jean-Michel, Sigg Hans, Mantl Siegfried, Grützmacher Detlev, Buca Dan (2018), Advanced GeSn/SiGeSn Group IV Heterostructure Lasers, in Advanced Science, 5(6), 1700955-1700955.
Optically pumped GeSn micro-disks with 16% Sn lasing at 3.1 μ m up to 180 K
Reboud V., Gassenq A., Pauc N., Aubin J., Milord L., Thai Q. M., Bertrand M., Guilloy K., Rouchon D., Rothman J., Zabel T., Armand Pilon F., Sigg H., Chelnokov A., Hartmann J. M., Calvo V. (2017), Optically pumped GeSn micro-disks with 16% Sn lasing at 3.1 μ m up to 180 K, in Applied Physics Letters, 111(9), 092101-092101.
Top-down method to introduce ultra-high elastic strain
Zabel Thomas, Geiger Richard, Marin Esteban, Müller Elisabeth, Diaz Ana, Bonzon Christopher, Süess Martin J., Spolenak Ralph, Faist Jérôme, Sigg Hans (2017), Top-down method to introduce ultra-high elastic strain, in Journal of Materials Research, 32(4), 726-736.
Optically Pumped GeSn Microdisk Lasers on Si
Stange Daniela, Wirths Stephan, Geiger Richard, Schulte-Braucks Christian, Marzban Bahareh, von den Driesch Nils, Mussler Gregor, Zabel Thomas, Stoica Toma, Hartmann Jean-Michel, Mantl Siegfried, Ikonic Zoran, Grützmacher Detlev, Sigg Hans, Witzens Jeremy, Buca Dan (2016), Optically Pumped GeSn Microdisk Lasers on Si, in ACS Photonics, 3(7), 1279-1285.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
CEA/LETI France (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Forschungszentrum Jülich (FZJ) Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Scientific events



Self-organised

Title Date Place
From semiconductors to quantum technologies symposium 25.05.2019 ETH Zurich, Switzerland

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
149294 Tensile strained Ge laser for Si-based opto-electronics 01.10.2013 Project funding (Div. I-III)
153798 3.3kV SiC MOSFET and diodes for advanced power electronic systems 01.01.2015 NRP 70 Energy Turnaround
143969 Ultradense silicon nanowires 01.04.2013 Project funding (Div. I-III)
116718 Gain and coherence in semiconductor quantum well systems 01.12.2007 Project funding (Div. I-III)
107864 Intersubband quantum cascade laser in the Si/SiGe material system 01.04.2005 Project funding (Div. I-III)
175867 The optical properties of direct bandgap group IV lasers 01.03.2018 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Based upon our previous demonstration of ultra high strain in Si and Ge, a following-up research program is proposed to look into several fundamental material parameters of strained semiconductors. In particular, this study is aiming to complete the understanding of the lasing of Ge based direct bandgap systems and will explore the non-linear optical properties of Si which normally is excluded by symmetry.We here propose to investigate strain induced modification of the mechanical, electrical and optical properties of most relevant semiconductors such as Si, Ge and (In)GaAs. We aim to deliver the knowledge base for concepts to increase the performance of current devices.An essential part of the investigation make us of synchrotron based spectroscopy including ARPES (angle resolved photo-electron spectroscopy), photo-electron spectroscopy (PEEM) and diffraction but also uses dedicated laboratory based optical spectroscopy.
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