Silicon germanium multi quantum wells for high efficiency optoelectronic devices

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.