We address nonradiative recombination pathways by leveraging surface passivation and dislocation management in μm-scale arrays of Ge crystals grown on deeply patterned Si substrates. The time decay photoluminescence (PL) at cryogenic temperatures discloses carrier lifetimes approaching 45 ns in band-gap engineered Ge micro-crystals. This investigation provides compelling information about the competitive interplay between the radiative band-edge transitions and the trapping of carriers by dislocations and free surfaces. Furthermore, an in-depth analysis of the temperature dependence of the PL, combined with capacitance data and finite difference time domain modeling, demonstrates the effectiveness of GeO2 in passivating the surface of Ge and thus in enhancing the room temperature PL emission.

1.
J.
Leuthold
,
C.
Koos
, and
W.
Freude
,
Nat. Photonics
4
,
535
(
2010
).
2.
D.
Dai
,
J.
Bauters
, and
J. E.
Bowers
,
Light: Sci. Appl.
1
,
e1
(
2012
).
3.
A. E.-J.
Lim
,
J.
Song
,
Q.
Fang
,
C.
Li
,
X.
Tu
,
N.
Duan
,
K. K.
Chen
,
R. P.-C.
Tern
, and
T.-Y.
Liow
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
20
,
8300112
(
2014
).
4.
R.
Pillarisetty
,
Nature
479
,
324
(
2011
).
5.
F.
Pezzoli
,
L.
Qing
,
A.
Giorgioni
,
G.
Isella
,
E.
Grilli
,
M.
Guzzi
, and
H.
Dery
,
Phys. Rev. B
88
,
045204
(
2013
).
6.
J.
Michel
,
J. F.
Liu
, and
L. C.
Kimerling
,
Nat. Photonics
4
,
527
(
2010
).
7.
D.
Liang
and
J. E.
Bowers
,
Nat. Photonics
4
,
511
(
2010
).
8.
L.
Baldassarre
,
E.
Sakat
,
J.
Frigerio
,
A.
Samarelli
,
K.
Gallacher
,
E.
Calandrini
,
G.
Isella
,
D. J.
Paul
,
M.
Ortolani
, and
P.
Biagioni
,
Nano Lett.
15
,
7225
(
2015
).
9.
D. J.
Paul
,
Semicond. Sci. Technol.
19
,
R75
(
2004
).
10.
J.
Liu
,
X.
Sun
,
R.
Camacho-Aguilera
,
L. C.
Kimerling
, and
J.
Michel
,
Opt. Lett.
35
,
679
(
2010
).
11.
R. E.
Camacho-Aguilera
,
Y.
Cai
,
N.
Patel
,
J. T.
Bessette
,
M.
Romagnoli
,
L. C.
Kimerling
, and
J.
Michel
,
Opt. Express
20
,
11316
(
2012
).
12.
S.
Wirths
,
R.
Geiger
,
N.
von den Driesch
,
G.
Mussler
,
T.
Stoica
,
S.
Mantl
,
Z.
Ikonic
,
M.
Luysberg
,
S.
Chiussi
,
J. M.
Hartmann
,
H.
Sigg
,
J.
Faist
,
D.
Buca
, and
D.
Grützmacher
,
Nat. Photonics
9
,
88
(
2015
).
13.
V. K.
Yang
,
M.
Groenert
,
C. W.
Leitz
,
A. J.
Pitera
,
M. T.
Currie
, and
E. A.
Fitzgerald
,
J. Appl. Phys.
93
,
3859
(
2003
).
14.
D. S.
Sukhdeo
,
S.
Gupta
,
K. C.
Saraswat
,
B. R.
Dutt
, and
D.
Nam
,
Opt. Commun.
364
,
233
(
2016
).
15.
X.
Li
,
Z.
Li
,
S.
Li
,
L.
Chrostowski
, and
G.
Xia
,
Semicond. Sci. Technol.
31
,
065015
(
2016
).
16.
C. V.
Falub
,
H.
von Känel
,
F.
Isa
,
R.
Bergamaschini
,
A.
Marzegalli
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
E.
Müller
,
P.
Niedermann
, and
L.
Miglio
,
Science
335
,
1330
(
2012
).
17.
C.
Rosenblad
,
H. R.
Deller
,
A.
Dommann
,
T.
Meyer
,
P.
Schröter
, and
H.
von Känel
,
J. Vac. Sci. Technol. A
16
,
2785
(
1998
).
18.
A.
Marzegalli
,
F.
Isa
,
H.
Groiss
,
E.
Müller
,
C. V.
Falub
,
A. G.
Taboada
,
P.
Niedermann
,
G.
Isella
,
F.
Schäffler
,
F.
Montalenti
,
H.
von Känel
, and
M.
Leo
,
Adv. Mater.
25
,
4408
(
2013
).
19.
F.
Isa
,
A.
Marzegalli
,
A. G.
Taboada
,
C. V.
Falub
,
G.
Isella
,
F.
Montalenti
,
H.
von Känel
, and
L.
Miglio
,
APL Mater.
1
,
052109
(
2013
).
20.
F.
Pezzoli
,
F.
Isa
,
G.
Isella
,
C. V.
Falub
,
T.
Kreiliger
,
M.
Salvalaglio
,
R.
Bergamaschini
,
E.
Grilli
,
M.
Guzzi
,
H.
von Känel
, and
L.
Miglio
,
Phys. Rev. Appl.
1
,
044005
(
2014
).
21.
F.
Isa
,
F.
Pezzoli
,
G.
Isella
,
M.
Meduňa
,
C. V.
Falub
,
E.
Müller
,
T.
Kreiliger
,
A. G.
Taboada
,
H.
von Känel
, and
L.
Miglio
,
Semicond. Sci. Technol.
30
,
105001
(
2015
).
22.
H.
Matsubara
,
T.
Sasada
,
M.
Takenaka
, and
S.
Takagi
,
Appl. Phys Lett.
93
,
032104
(
2008
).
23.
R. W.
Millar
,
K.
Gallacher
,
A.
Samarelli
,
J.
Frigerio
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
T.
Dieing
, and
D. J.
Paul
,
Opt. Express
23
,
18193
(
2015
).
24.
F.
Bellenger
,
M.
Houssa
,
A.
Delabie
,
V.
Afanasiev
,
T.
Conard
,
M.
Caymax
,
M.
Meuris
,
K. D.
Meyer
, and
M. M.
Heyns
,
J. Electrochem. Soc.
155
,
G33
(
2008
).
25.
K.
Hirayama
,
K.
Yoshino
,
R.
Ueno
,
Y.
Iwamura
,
H.
Yang
,
D.
Wang
, and
H.
Nakashima
,
Solid State Electron.
60
,
122
(
2011
).
26.
A.
Giorgioni
,
E.
Vitiello
,
E.
Grilli
,
M.
Guzzi
, and
F.
Pezzoli
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
152404
(
2014
).
27.
J. J.
Sheng
,
D.
Leonhardt
,
S. M.
Han
,
S. W.
Johnston
,
J. G.
Cederberg
, and
M. S.
Carroll
,
J. Vac. Sci. Technol., B
31
,
051201
(
2013
).
28.
R.
Geiger
,
J.
Frigerio
,
M. J.
Süess
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
R.
Spolenak
,
J.
Faist
, and
H.
Sigg
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
062106
(
2014
).
29.
D.
Nam
,
J. H.
Kang
,
M. L.
Brongersma
, and
K. C.
Saraswat
,
Opt. Lett.
39
,
6205
(
2014
).
30.
C.
Claeys
and
E.
Simoen
,
Extended Defects in Germanium
(
Springer-Verlag
,
Berlin, Heidelberg
,
2009
).
31.
T.
Figielski
,
Solid-State Electron.
21
,
1403
(
1978
).
32.
FDTD Solutions, version 8.5.3, Lumerical Solutions, Inc., Canada,
2013
.
33.
M.
Celebrano
,
M.
Baselli
,
M.
Bollani
,
J.
Frigerio
,
A. B.
Shehata
,
A. D.
Frera
,
A.
Tosi
,
A.
Farina
,
F.
Pezzoli
,
J.
Osmond
,
X.
Wu
,
B.
Hecht
,
R.
Sordan
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
L.
Duó
,
M.
Finazzi
, and
P.
Biagioni
,
ACS Photonics
2
,
53
(
2015
).
You do not currently have access to this content.