Search

Germanium-tin alloys have sparked interest thanks to their ability to tailor electronic properties by strain and band-gap engineering and their compatibility with silicon technology. Exciting improvements in lasing performances and photodetection efficiencies in the strategic mid-infrared wavelength range have been recently enabled by out-of-equilibrium growth techniques. Despite the outstanding properties of such novel alloys, their unique spin-dependent phenomena have remained completely unexplored. We specifically apply optical spin orientation combined with a magneto-optical analysis of the radiative emission to demonstrate coherent spin dynamics through quantum beat spectroscopy and sub-ns carrier kinetics through the Hanle effect . Our results demonstrate that alloying can indeed offer a precise control of spin-orbit coupling in group IV semiconductors, thus opening exciting perspectives in emerging fields such as Rashba physics and spin Hall effect. 1) S. Wirths et al., Nat. Photonics, 9, 88 (2015) 2) S. De Cesari et al., Phys. Rev. B, 99, 035202 (2019). 3) E. Vitiello et al., arXiv:2009.01087

Результати акустичної експертизи приміщень та засобів зв’язку, що полягає в оцінюванні розбірливості мовних сигналів, є необхідними для сертифікації приміщень та комунікаційних систем. Оскільки технічні засоби звукоінженерів постійно змінюються й удосконалюються, а також з огляду на зростання переліку факторів, що можуть бути врахованими при оцінюванні розбірливості мови, зростає й кількість апаратно-програмних додатків для такого оцінювання. Таким чином, розробка математичного та програмного забезпечення для прогнозування та вимірювання розбірливості мови є актуальним завданням. Найбільш поширеними на сьогодні є формантний та модуляційний методи оцінювання розбірливості мови. Формантний метод є дещо обмеженим, оскільки не дозволяє враховувати дію реверберації. Модуляційний метод, в якому мірою оцінювання розбірливості мови є індекс передачі мови (Speech Transmission Index), є вільним від цього недоліку. Тому в деяких роботах можна зустріти висловлювання про «застарілість» формантного методу. Проте, ретельне зіставлення потенційних можливостей формантного та модуляційного методів свідчить, що формантний метод перевершує свого конкурента за точністю і швидкістю обчислень в умовах, коли дія шуму переважає над дією реверберації. Найбільшого поширення набули такі версії формантного методу оцінювання розбірливості мови як індекс артикуляції (Articulation Index) й індекс розбірливості мови (Speech Intelligibility Index). На території колишнього СРСР найбільш поширеними були версії формантного методу, розвинуті в наукових школах, очолюваних Н. Б. Покровським, М. А. Сапожковим і Ю. С. Биковим. Згідно із формантним методом, область частот мовного сигналу розбивають на суміжні частотні смуги, в межах кожної з яких спектри мови та шуму можна вважати практично незмінними, й формантну розбірливість обчислюють як певну функцію парціальних відношень сигнал-шум, а словесну розбірливість обчислюють через формантну розбірливість. У даній статті представлено детальний опис алгоритму прогнозування розбірливості мови шляхом аналітичного моделювання. У загальному вигляді алгоритм складається з наступних кроків: на першому етапі обчислень здійснюється формування первинних моделей мовного сигналу і шуму у вигляді масивів вибірок стаціонарних випадкових процесів із заданими спектральними характеристиками. Потім виконується корекція дисперсій цих модельних процесів, щоб забезпечити необхідне інтегральне відношення сигнал-шум. Після такої корекції оцінюються парціальні відношення сигнал-шум. На заключному етапі обчислюються показники розбірливості мови, такі як формантна розбірливість, словесна розбірливість, індекс передачі мови. Працездатність запропонованого алгоритму перевірена для 4-х видів шумової завади: білої, рожевої, коричневої та типової для навчальних приміщень. Узгодженість отриманих результатів з відомими аналогічними результатами свідчить про коректність запропонованих компонентів аналітичного алгоритму. Окрім того, виконано співставлення результатів оцінювання розбірливості мови, отриманих у відповідності до «класичного» підходу, з результатами оцінювання індексу передачі мови, що дозволило підтвердити тезу про низьку маскувальну здатність білого шуму при малих відношеннях сигнал-шум. Запропонований в даній роботі алгоритм прогнозування розбірливості мови буде корисним студентам в галузі звукоінженерії, фахівцям в галузях розробки та налагодження систем зв’язку, архітектурного проектування, озвучення залів різного призначення, а також керівникам установ, де розбірливість мови є важливим показником. A detailed description of the speech intelligibility prediction algorithm using analytical modeling is presented. The efficiency of the proposed algorithm is tested for four types of noise interference: white, pink, brown and typical for classrooms. The consistency of the results with known similar results indicates the correctness of the proposed components of the analytical algorithm. In addition, we compared the results of evaluating speech intelligibility obtained in accordance with the “classical” approach with the results of evaluating the STI index of speech intelligibility, which allowed us to confirm the thesis of a low camouflage ability of white noise at low signal-to-noise ratios. Представлено детальное описание алгоритма прогнозирования разборчивости речи методом аналитического моделирования. Работоспособность предложенного алгоритма проверена для 4-х видов шумовой помехи: белой, розовой, коричневой и типовой для учебных помещений. Согласованность полученных результатов с известными аналогичными результатами свидетельствует о корректности предложенных компонентов аналитического алгоритма. Кроме того, произведено сопоставление результатов оценивания разборчивости речи, полученных в соответствии с «классическим» подходом, с результатами оценивания индекса разборчивости речи STI, что позволило подтвердить тезис о низкой маскировочной способности белого шума при малых отношениях сигнал-шум.

International audience; We demonstrate an effective epitaxial route for the manipulation and further enrichment of the intriguing spin-dependent phenomena boasted by germanium. We show optical initialization and readout of spins in Ge-rich germanium-tin alloys and report on spin quantum beats between Zeeman-split levels under an external magnetic field. While heavy Sn atoms can be readily utilized to strengthen the spin-orbit coupling, our experiments reveal robust spin orientation in a wide temperature range and a persistent spin lifetime that noticeably approaches the nanosecond regime at room temperature. In addition, time decay photoluminescence experiments evidence a temperature-induced monotonic decrease of the carrier lifetime, eventually providing crucial insights also into nonradiative recombination mechanisms.

GeSn binary alloys have emerged over the past years as means to overcome the longstanding limitations of group IV materials, in particular in the field of optoelectronics. Epitaxial GeSn layers grown on Ge-buffered Si substrates offer exciting prospects, as evidenced by the very recent demonstration of an optically pumped laser and by the tunable nature of the direct gap [1]. Nevertheless, the low quantum efficiency of such GeSn heterostructures is an unanswered issue with far-reaching consequences from both fundamental and technological perspectives. Here we addressed the impact of strain relaxation on light emission properties of tens-of-nm thick GeSn epitaxial layers with Sn content up to ~10%. An in-depth analysis of the temperature dependence of the integrated photoluminescence intensity is supported by a model of carrier dynamics, which describes the competitive interplay between the radiative band-edge transitions and the trapping of carriers by defects. By doing so, we clarified recent experimental observations and gathered a deeper understanding of radiative recombination processes. By studying the optical properties of GeSn epilayers as a function of strain relaxation we clarify strategies for yielding extremely efficient photonic devices, thus contributing to current worldwide efforts aimed at combining electrical and optical functionalities on a single computer chip. 1. Nature Photon. 9, 88 (2015); PRL 102, 107403 (2009)

Compressively strained GeSn alloys grown on Ge buffers on Si (001) substrates were fabricated into microdisks and strained using silicon nitride stressors. The strained disks are measured to be tensile by Raman spectroscopy, and demonstrate direct bandgap emission in the 3-5 μm gas sensing window.

GeSn alloys with Sn contents of 8.4 % and 10.7 % are grown pseudomorphically on Ge buffers on Si (001) substrates. The alloys as-grown are compressively strained, and therefore indirect bandgap. Undercut GeSn on Ge microdisk structures are fabricated and strained by silicon nitride stressor layers, which leads to tensile strain in the alloys, and direct bandgap photoluminescence in the 3–5 µm gas sensing window of the electromagnetic spectrum. The use of pseudomorphic layers and external stress mitigates the need for plastic deformation to obtain direct bandgap alloys. It is demonstrated, that the optically pumped light emission overlaps with the methane absorption lines, suggesting that GeSn alloys are well suited for mid-infrared integrated gas sensors on Si chips.\ud \ud

InAs/GaSb coupled quantum well heterostructures are important semiconductor systems with applications ranging from spintronics to photonics. Most recently, InAs/GaSb heterostructures have been identified as candidate two-dimensional topological insulators, predicted to exhibit helical edge conduction via fully spin-polarised carriers. We study an InAs/GaSb double quantum well heterostructure with an AlSb barrier to decouple partially the 2D electrons and holes, and find conduction consistent with a 2D hole gas, with an effective mass of 0.235 ± 0.005 m 0, existing simultaneously with hybridised carriers with an effective mass of 0.070 ± 0.005 m 0, where m 0 is the bare electron mass.

Low-voltage swing (≤1.0 V) high-contrast ratio (6 dB) electro-absorption modulation covering 1460 to 1560 nm wavelength has been demonstrated using Ge/SiGe quantum confined Stark effect (QCSE) diodes grown on a silicon substrate. The heterolayers for the devices were designed using an 8-band k.p Poisson-Schrödinger solver which demonstrated excellent agreement with the experimental results. Modelling and experimental results demonstrate that by changing the quantum well width of the device, low power Ge/SiGe QCSE modulators can be designed to cover the S- and C-telecommunications bands.

Magnetotransport studies at low and room temperature are presented for two-dimensional hole gases (2DHG) formed in fully strained germanium (sGe) quantum wells (QW). Two designs of modulation doped heterostructure grown by reduced pressure chemical vapour deposition (RP-CVD) were used and included a normal structure (doping above the Ge channel and inverted structure (doping beneath the Ge channel). The mobility (μH) for the normal structure was measured to be 1.34×106 cm2/Vs with a sheet density (ps) of 2.9×1011 cm-2 at 1.5 K, and μH = 3970 cm2/Vs and ps ~1×1011 cm-2 for room temperature, determined from simulation using the Maximum Entropy- Mobility Spectrum Analysis (ME-MSA) method. For the inverted structure a μH of 4.96×105 cm2/Vs and ps of 5.25×1011 cm-2 was measured at 90 mK. From the temperature dependent amplitude of Shubnikov de Haas oscillations, the normal structure was found to have a very low effective mass (m*) value of 0.063 m0 and a ratio of transport to quantum lifetime (α) of ~78. This extremely high α is indicative of the carrier transport being dominated by small angle scattering from remote impurities i.e. a sample having an extremely low background impurity level and very smooth hetero-interfaces. The inverted structure had an m* of 0.069 m0 and α ~29, which also indicates exceedingly high quality material.

The design, modeling, fabrication, and characterization of single-photon avalanche diode detectors with an epitaxial Ge absorption region grown directly on Si are presented. At 100 K, a single-photon detection efficiency of 4% at 1310 nm wavelength was measured with a dark count rate of ~ 6 megacounts/s, resulting in the lowest reported noise-equivalent power for a Ge-on-Si single-photon avalanche diode detector (1×10-14 WHz-1/2). The first report of 1550 nm wavelength detection efficiency measurements with such a device is presented. A jitter of 300 ps was measured, and preliminary tests on after-pulsing showed only a small increase (a factor of 2) in the normalized dark count rate when the gating frequency was increased from 1 kHz to 1 MHz. These initial results suggest that optimized devices integrated on Si substrates could potentially provide performance comparable to or better than that of many commercially available discrete technologies.

We report the observation of the quantum-confined Stark effect in Ge/SiGe multiple quantum well heterostructures grown on Si(0.22)Ge(0.78) virtual substrates. The large compressive strain in the Ge quantum well layers caused by the lattice mismatch with the virtual substrate results in a blue shift of the direct absorption edge, as well as a reduction in the \Gamma-valley scattering lifetime because of strain-induced splittings of the conduction band valleys. We investigate theoretically the \Gamma-valley carrier lifetimes by evaluating the \Gamma-to-L and \Gamma-to-\Delta{} scattering rates in strained Ge/SiGe semiconductor heterostructures. These scattering rates are used to determine the lifetime broadening of excitonic peaks and the indirect absorption in simulated absorption spectra, which are compared with measured absorption spectra for quantum well structures with systematically-varied dimensions. We find that \Gamma-to-\Delta{} scattering is significant in compressively strained Ge quantum wells and that the \Gamma-valley electron lifetime is less than 50 fs in the highly-strained structures reported here, where \Gamma-to-\Delta{} scattering accounted for approximately half of the total scattering rate., Comment: 8 pages, 8 figures