Germanium is a group IV element compatible with CMOS (Complementary metal oxide semiconductor) fabrication technology and advantageous over silicon by having smaller band gap and higher carrier mobility, which provide infrared photodetectors and high-speed transistors respectively. In addition, by having direct band gap, strained-Ge enables fabrication of infrared lasers. Finally, thanks to lattice-matching, Ge layers on Si can also be used as virtual substrates for the growth of III-V compounds on Si. In order to enable these technological developments, single crystalline Ge (c-Ge) needs to be grown on a low cost CMOS material, preferably Si. Within this scope, Ge films were grown on SiO2 layers using liquid phase epitaxy enabled by crystalline Si (c-Si) seed window and rapid melting method. Effects of insulator, Ge film and capping layer thicknesses, temperature and cooling rate were probed by electron backscatter diffraction (EBSD) and Raman measurements. We demonstrated that while insulator thickness decreases the crystal quality, Ge film and capping layer thicknesses typically have a positive effect on crystal structure. Additionally, we observed that there is an optimum temperature around the melting point of Ge. Finally, we showed that lower cooling rates contributes to single crystal formation. The results of this research can offer a material platform for fabrication of infrared photodetectors, high-speed transistors and infrared lasers as well as low-cost high-efficiency solar cells providing economic and industrial benefits for photovoltaics.

Germanyum bir grup IV elementi olup CMOS (tümleşik metal oksit yarıiletken) üretim teknolojisi ile uyumludur ve silisyuma göre daha küçük bant aralığı ile daha yüksek yük taşıyıcı mobilitesine sahip olduğundan kızılötesi detektör ve yüksek-hızlı transistor üretimini sağlar. Buna ek olarak, gerinimli Ge direk bant aralığına sahip olması sayesinde kızılötesi lazer üretimine olanak sağlar. Son olarak, örgü aralığı uyuştuğundan, Si üzerinde Ge tabakası III-V bileşiklerinin silisyum üzerinde büyütülmesi için alttaş olarak kullanılabilir. Germanyumun sunduğu bu avantajlardan faydalanabilmek için tek kristal germanyumun (k-Ge) silisyum gibi düşük maliyetli bir CMOS malzemesi üzerine büyütülebilmesi gerekmektedir. Bu kapsamda, SiO2 yalıtkan tabakaları üzerine, kristal silisyum (k-Si) tohum ve hızlı eritme metodu ile desteklenmiş sıvı faz epitaksi yöntemi kullanılarak Ge filmleri büyütülmüştür. Elektron geri saçılım kırılma (EBSD) ve Raman ölçüm yöntemleri ile yalıtkan, Ge film ve kaplama tabakası kalınlıkları ile tavlama sıcaklığı ve soğutma hızı etkileri incelenmiştir. Yalıtkan tabaka kalınlığının kristal kalitesini düşürdüğünü, Ge film ve kaplama tabakaları kalınlıklarının kristal yapısında olumlu etki yaptığını gösterdik. Bunun yanısıra, Ge erime sıcaklığı civarında bir optimum tavlama sıcaklığı olduğunu gözlemledik. Son olarak, düşük soğutma hızlarının tek kristal yapı oluşumunu desteklediğini gösterdik. Bu araştırmanın sonuçlarının kızılötesi fotodetektörler, yüksek-hızlı transistörler, kızılötesi lazerler ve düşük maliyetli yüksek kalitede güneş gözeleri için malzeme platformu sunarak fotovoltaik alanına ekonomik ve endüstriyel anlamda katkı sağlaması öngörülmektedir.