Integrated collinear refractive index sensor with Ge PIN photodiodes

Refractive index sensing is a highly sensitive and label-free detection method for molecular binding events. Commercial implementations of biosensing concepts based on plasmon resonances typically require significant external instrumentation such as microscopes and spectrometers. Few concepts exist that are based on direct integration of plasmonic nanostructures with optoelectronic devices for on-chip integration. Here, we present a CMOS-compatible refractive index sensor consisting of a Ge heterostructure PIN diode in combination with a plasmonic nanohole array structured directly into the diode Al contact metallization. In our devices, the photocurrent can be used to detect surface refractive index changes under simple top illumination and without the aid of signal amplification circuitry. Our devices exhibit large sensitivities > 1000 nm per refractive index unit in bulk refractive index sensing and could serve as prototypes to leverage the cost-effectiveness of the CMOS platform for ultra-compact, low-cost biosensors.Comment: 21 pages, 6 figures, supporting information with 11 pages and 11 figures attache

Spininjektion und Spintransport in Germanium

Die dominante Technologie zur Herstellung von Logikbauelementen ist die Si-basierte komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Technologie. Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung und eines absehbaren Endes des Mooreschen Gesetzes sind „Beyond-CMOS“-Konzepte als mögliche Nachfolger der klassischen Miniaturisierung der CMOS-Bauelemente immer stärker im Fokus. Spintronische Logik-Bauelemente gelten dabei aufgrund des geringen Energiebedarfs zum Umschalten als aussichtsreiche Kandidaten der „Beyond-CMOS“-Konzepte. Bei den meisten spintronischen Bauelementen, wie dem Spin-Feldeffekttransistor (Spin-FET) oder dem Spin-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Spin-MOSFET), sind die Spininjektion, der Spintransport, die Spinmanipulation sowie die Spindetektion von spinpolarisierten Ladungsträgern die grundlegenden Mechanismen, die es zu optimieren gilt. Diese Arbeit befasst sich mit der Spininjektion und dem Spintransport in hochdotierten Ge-Kanälen mit ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakten. Hierzu wird das Wachstum von Ge auf Si(111)-Substraten untersucht und ein Herstellungsprozess von 3-Terminal- und 4-Terminal-Strukturen für den Nachweis von Spininjektion mit einer Hanle- und Spin-Ventil-Messung entwickelt. Für die zur elektrischen Spininjektion benötigten ferromagnetischen Kontakte wird ein CMOS-kompatibler Herstellungsprozess von Mn5Ge3 entwickelt. Durch Hanle-Messungen an den hergestellten Strukturen wird der Nachweis der Spininjektion in n-Ge und p-Ge erbracht. Zur Optimierung der Spindiffusionslänge, welche von der Beweglichkeit des Materials abhängt, werden die Hochbeweglichkeitskanäle von modulationsdotierten Feldeffekttransistor-Strukturen (MODFET-Strukturen) untersucht. Zur Untersuchung des Einflusses von Mn5Ge3 auf die elektrischen Eigenschaften von Bauelementen sowie für den optischen Nachweis von Spininjektion werden Ge p i n Dioden mit Mn5Ge3-Kontakten hergestellt und ihre Eignung als Spin-Photodioden und Spin-Leuchtdioden evaluiert. Im Detail wird folgendes in der Arbeit gezeigt: Das Wachstum von undotiertem sowie n-Typ und p-Typ dotiertem Ge auf Si(111) erfolgt mit der Molekularstrahlepitaxie und zeigt qualitativ hochwertige Schichten mit einer geringen Defektdichte NDefekt < 1·107 Defekte/cm2. Die 3-Terminal- und 4-Terminal-Strukturen werden durch reaktives Ionenätzen in Form einer Mesa strukturiert, mit SiO2 passiviert und das aufgedampfte Mn und Al mit einem Lift-Off-Prozess strukturiert. Durch einen schnellen Temperprozess entsteht durch eine Germanidierung des aufgedampften Mn und der darunterliegenden Ge-Schicht das ferromagnetische Mn5Ge3 in polykristalliner Form. Dabei zeigt sich eine atomar glatte Grenzfläche zwischen Ge und Mn5Ge3. Magnetisierungsmessungen zeigen, dass die thermische Umwandlung zu Mn5Ge3 sowohl für intrinsische, hoch p-dotierte als auch hoch n-dotierte Ge-Schichten (NA = 1·1020 cm−3, ND = 1·1020 cm−3) funktioniert. Die spezifischen Kontaktwiderstände sind dabei mit ρc < 1·10−6 Ωcm2 sehr niedrig. Es wird gezeigt, dass die Integration des Germanidierungsprozesses von Mn5Ge3 in einen CMOS-Herstellungsprozess denkbar ist. Zur Überprüfung, ob mit dem so hergestellten Mn5Ge-Kontakt Spininjektion in Ge möglich ist, werden Hanle-Messungen zunächst an 3-Terminal-Strukturen durchgeführt. Der Nachweis der Spininjektion kann dabei für n-dotiertes Ge mit einem Tunnelkontakt mit Al2O3/Mn5Ge3 bis zu einer TemperaturTProbe = 11 K erbracht werden. Die Spinlebensdauer beträgt dabei τs = 25 ps bei TProbe = 1,5 K, die Diffusionslänge λspin = 306 nm. Bei den n- und p-dotierten Proben mit Mn5Ge3 zeigen sich aufgrund der Polykristallinität der Mn5Ge3-Schicht Domäneneffekte und verhindern durch die Überlagerung des Hanle-Signals eine sinnvolle Extraktion der Spinlebensdauer. Für einen validen Nachweis der Spininjektion werden Hanle- und Spin-Ventil-Messungen an einer 4-Terminal-Struktur durchgeführt. Mit einer 4-Terminal-Struktur mit Mn5Ge3-Kontakten und einem p-dotiertem Ge- Kanal kann die Spininjektion bis zu einer Temperatur TProbe = 40 K gezeigt werden. Dabei zeigen die Messungen ein Hanle-Signal für beide Orientierungen des Magnetfelds. Dieses Verhalten kann mit den Domäneneffekten der Mn5Ge3-Schicht begründet werden. Die aus dem Hanle-Signal extrahierte Spinlebensdauer beträgt τs = 4 ps bei TProbe = 5 K, die Spindiffusionslänge λspin = 70 nm und die Polarisation PGe = 1,3 %. Die Hanle-Messungen an der 4-Terminal-Struktur zeigen, dass durch die CMOS-kompatible Herstellung des Mn5Ge3 Spinjektion in p-Ge möglich ist. Für den Nachweis der Spininjektion bei höheren Temperaturen gilt es die Spininjektion und den Spintransport zu optimieren. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Spindiffusionslänge besteht darin, MODFET-Strukturen mit hoher Beweglichkeit im Kanalgebiet zu verwenden. Hierzu werden SiGe-MODFET-Strukturen auf Si(111)-Substraten untersucht. Im Vergleich zu einer MODFET-Struktur auf Si(100) mit hoher Beweglichkeit zeigen die hergestellten Strukturen auf Si(111)-Substraten eine geringere Beweglichkeit. Die Transmissionselektronenmikroskopie zeigt, dass oberhalb des Si Kanalgebiets ein parasitärer Kanal vorliegt und so verhindert, dass die Elektronen in den Si-Kanal gelangen können. Dies wiederum erklärt, warum es nicht zu der erwarteten hohen Beweglichkeit der MODFET-Struktur kommt. Zur Überprüfung des Einflusses von Mn5Ge3 auf das elektrische Verhalten von Halbleiterbauelementen werden Ge p i n Dioden mit Mn5Ge3 hergestellt und untersucht. Die hergestellten Dioden zeigen, dass sich Mn5Ge3 als Kontaktmaterial für Dioden eignet und im Vergleich zu Al einen sehr geringen Kontaktwiderstand zu n-Ge bildet. Die Dioden sind optisch aktiv und können für Untersuchungen der optischen Spininjektion als Spin-Photodioden und Spin-Leuchtdioden verwendet werden. Mit der Arbeit ist somit gezeigt, dass sich Mn5Ge3 als ferromagnetischer Kontakt für Ge-basierte spintronische Halbleiterbauelemente eignet und Ge in Kombination mit Mn5Ge3 großes Potential zur Realisierung von Spin-FETs bzw. Spin-MOSFETs von bietet

Patella component diameters of 38 mm and up might be associated with higher revision rates after patella resurfacing

Abstract Purpose Patellar resurfacing is considered the standard of care for total knee arthroplasty in the USA. Complications of patella resurfacing include aseptic loosening or patella fractures and can threaten the integrity of the extensor mechanism. The goal of this study was to report on patella button revision rates in posterior stabilized total knee arthroplasty. Material and methods Between 01/2010 and 08/2016 patella buttons were implanted in 1056 patients (267 men and 550 women) as part of a posterior stabilized total knee arthroplasty. Results Of 1056 cases, 35 cases (14 women, 15 men, 5 bilateral, 3.3%) showed early loosening at a mean 52.5 months postoperatively. Patella components of 38 mm or larger diameters showed a significantly higher loosening rate than the 29, 32, 35 mm buttons (p < 0.01). Mean BMI of patients identified with aseptic loosening was 31.7 kg/m2, mean age at time of revision surgery was 63.3 years. All of the patients with loosening of the patella button required revision surgery; in 33 cases an exchange of the button was performed, in two cases a removal of the button and patellar bone grafting was indicated. No complications occurred after revision surgery. Conclusion The current study reports a 3.3% patella loosening rate during this mid-term follow-up. Size 38 mm and larger patella components showed a significantly higher revision rate than smaller buttons and the authors advise caution when using large diameter patella components

Formation of Mn5Ge3 by thermal annealing of evaporated Mn on doped Ge on Si(111)

Mn5Ge3 can be used as a ferromagnetic contact material to fabricate spintronic devices. Here, we show that Mn5Ge3 can be fabricated with a simple germanidation process by evaporating Mn on undoped and doped Ge on Si followed by a thermal annealing step to form the ferromagnetic Mn5Ge3 phase. This solid phase preparation of Mn5Ge3 is a robust process with a minor dependence on the annealing parameters. The formation of Mn5Ge3 can be realized using undoped as well as highly doped p-Ge and n-Ge with different doping levels. The interface of Mn5Ge3 is atomically sharp which leads to very low contact resistivities < 1 × 10−7 Ω cm2