江蘇激光聯(lián)盟導(dǎo)讀：

長期以來，人們一直期望在Si上的單片激光器能夠?qū)崿F(xiàn)完整的光子集成，而GeSn材料開發(fā)的重大進(jìn)展表明了這種激光器的前景。盡管有許多關(guān)于光泵浦激光器的報(bào)道，但在該研究中，研究人員成功研制了在Si上電注入GeSn激光器。

電注入鍺錫激光器及其功率輸出與電流和頻譜特性的關(guān)系示意圖。圖片來源：阿肯色大學(xué)

GeSn半導(dǎo)體的研究進(jìn)展為硅基光電器件的開發(fā)開辟了新途徑。Sn含量超過8％時(shí)，GeSn變成直接帶隙材料，這對(duì)于有效發(fā)光至關(guān)重要。此外，GeSn外延在Si上是單片的，并且與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體完全兼容。廣泛的波長覆蓋范圍還使其可廣泛用于中紅外應(yīng)用，例如生物/化學(xué)傳感、光譜學(xué)和高溫測定。所有這些優(yōu)點(diǎn)使GeSn材料成為Si平臺(tái)上集成光源的有希望的候選者，這使系統(tǒng)更緊湊，成本更低，效率更高且更可靠。

在過去的幾年中，光泵浦GeSn激光器的開發(fā)取得了長足的進(jìn)步。出現(xiàn)了第一臺(tái)GeSn激光器，其成分為12.6％的Sn，可在高達(dá)90 K的溫度下工作。后來，據(jù)報(bào)道，較高的Sn摻入量對(duì)提高激光發(fā)射溫度是有益的。進(jìn)一步嘗試摻入20％的錫導(dǎo)致了接近室溫的激光發(fā)射。SiGeSn / GeSn異質(zhì)結(jié)構(gòu)和多量子阱激光器的閾值降低，工作溫度升高。作為摻入更多錫的替代途徑，GeSn激光器應(yīng)變工程的成就顯示出器件性能的極大提高。具有16％錫成分的激光器工作溫度高達(dá)273K。據(jù)報(bào)道，在拉伸應(yīng)變盤結(jié)構(gòu)中，連續(xù)波光泵浦激光器的Sn含量低至5.4％。到目前為止，據(jù)報(bào)道所有GeSn激光器都使用光泵浦，如何實(shí)現(xiàn)如先前所預(yù)測的電注入激光器仍然難以捉摸。

GeSn激光器

在該研究中，研究人員成功進(jìn)行了電注入GeSn二極管激光器的首次演示。GeSn / SiGeSn雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成功生長，從而確保了載流子和光學(xué)的約束。為了解決由于GeSn和頂部SiGeSn勢壘之間的II型能帶對(duì)準(zhǔn)而導(dǎo)致的空穴泄漏，設(shè)計(jì)了p型頂部SiGeSn層以促進(jìn)空穴注入。脊形波導(dǎo)GeSn激光器被制作觀察到高達(dá)100 K的脈沖激光。在10 K下測量的閾值為598A / cm2。在10至77 K的溫度范圍內(nèi)從76至99 K提取了特征溫度0用于不同的設(shè)備。

激光裝置的剖面示意圖

研究人員證明了使用商業(yè)CVD反應(yīng)器在Si晶片上生長的電注入GeSn / SiGeSn異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器。0.13 nm（0.06 eV）的窄峰線寬和LI曲線特性明顯證實(shí)了激光。通過高分辨率光譜觀察了多模激光特性。在10 K下獲得598A / cm2的激光閾值。最高激光發(fā)射溫度為100 K，峰值波長為2300 nm。p?i?n結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可通過減少通過II型能帶對(duì)準(zhǔn)的蓋層的空穴泄漏來增強(qiáng)載流子約束。在10 K時(shí)測得的峰值功率為2.7 mW /面，相當(dāng)于約0.3％的計(jì)算EQE。

鍺錫合金是一種很有前途的半導(dǎo)體材料，可以很容易地集成到電子電路中，例如計(jì)算機(jī)芯片和傳感器中發(fā)現(xiàn)的那些。這種材料可使開發(fā)低成本，輕便，緊湊和低功耗的電子元件利用光進(jìn)行信息傳輸和傳感。

于教授研究鍺錫多年。他實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)證明了這種材料作為強(qiáng)力半導(dǎo)體合金的功效。在了第一代“光泵浦”激光器成功制造之后，這意味著該材料被注入了光，于和他實(shí)驗(yàn)室的研究人員將繼續(xù)精煉該材料。

這項(xiàng)研究是由美國空軍科學(xué)研究所贊助的，研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在Optica光美國光學(xué)學(xué)會(huì)雜志上。這篇文章是阿肯色大學(xué)微電子學(xué)-光子學(xué)專業(yè)的一名博士生周寫的。在阿肯色大學(xué)電氣工程教授于水清的帶領(lǐng)下，于水清教授和周博士還與包括亞利桑那州立大學(xué)，波士頓馬薩諸塞大學(xué)，新罕布什爾州達(dá)特茅斯學(xué)院和賓夕法尼亞州威爾克斯大學(xué)在內(nèi)的多家高校的研究人員一起工作。研究人員還與阿肯色州半導(dǎo)體設(shè)備制造商Arktonics合作。