研发报告详细内容

电注入GeSn激光器首次亮相

     

长期以来,人们一直期望在Si上的单片激光器能够实现完整的光子集成,而GeSn材料开发的重大进展表明了这种激光器的前景。尽管有许多关于光泵浦激光器的报道,但在该研究中,研究人员成功研制了在Si上电注入GeSn激光器。

电注入锗锡激光器及其功率输出与电流和频谱特性的关系示意图。图片来源:阿肯色大学

GeSn半导体的研究进展为硅基光电器件的开发开辟了新途径。Sn含量超过8%时,GeSn变成直接带隙材料,这对于有效发光至关重要。此外,GeSn外延在Si上是单片的,并且与互补金属氧化物半导体完全兼容。广泛的波长覆盖范围还使其可广泛用于中红外应用,例如生物/化学传感、光谱学和高温测定。所有这些优点使GeSn材料成为Si平台上集成光源的有希望的候选者,这使系统更紧凑,成本更低,效率更高且更可靠。

在过去的几年中,光泵浦GeSn激光器的开发取得了长足的进步。出现了第一台GeSn激光器,其成分为12.6%的Sn,可在高达90 K的温度下工作。后来,据报道,较高的Sn掺入量对提高激光发射温度是有益的。进一步尝试掺入20%的锡导致了接近室温的激光发射。SiGeSn / GeSn异质结构和多量子阱激光器的阈值降低,工作温度升高。作为掺入更多锡的替代途径,GeSn激光器应变工程的成就显示出器件性能的极大提高。具有16%锡成分的激光器工作温度高达273K。据报道,在拉伸应变盘结构中,连续波光泵浦激光器的Sn含量低至5.4%。到目前为止,据报道所有GeSn激光器都使用光泵浦,如何实现如先前所预测的电注入激光器仍然难以捉摸。

GeSn激光器

在该研究中,研究人员成功进行了电注入GeSn二极管激光器的首次演示。GeSn / SiGeSn双异质结构成功生长,从而确保了载流子和光学的约束。为了解决由于GeSn和顶部SiGeSn势垒之间的II型能带对准而导致的空穴泄漏,设计了p型顶部SiGeSn层以促进空穴注入。脊形波导GeSn激光器被制作观察到高达100 K的脉冲激光。在10 K下测量的阈值为598A / cm2。在10至77 K的温度范围内从76至99 K提取了特征温度𝑇0用于不同的设备。

激光装置的剖面示意图

研究人员证明了使用商业CVD反应器在Si晶片上生长的电注入GeSn / SiGeSn异质结构激光器。0.13 nm(0.06 eV)的窄峰线宽和LI曲线特性明显证实了激光。通过高分辨率光谱观察了多模激光特性。在10 K下获得598A / cm2的激光阈值。最高激光发射温度为100 K,峰值波长为2300 nm。p−i−n结构设计可通过减少通过II型能带对准的盖层的空穴泄漏来增强载流子约束。在10 K时测得的峰值功率为2.7 mW /面,相当于约0.3%的计算EQE。

锗锡合金是一种很有前途的半导体材料,可以很容易地集成到电子电路中,例如计算机芯片和传感器中发现的那些。这种材料可使开发低成本,轻便,紧凑和低功耗的电子元件利用光进行信息传输和传感。

于教授研究锗锡多年。他实验室的研究人员已经证明了这种材料作为强力半导体合金的功效。在了第一代“光泵浦”激光器成功制造之后,这意味着该材料被注入了光,于和他实验室的研究人员将继续精炼该材料。

这项研究是由美国空军科学研究所赞助的,研究结果已经发表在Optica光美国光学学会杂志上。这篇文章是阿肯色大学微电子学-光子学专业的一名博士生周写的。在阿肯色大学电气工程教授于水清的带领下,于水清教授和周博士还与包括亚利桑那州立大学,波士顿马萨诸塞大学,新罕布什尔州达特茅斯学院和宾夕法尼亚州威尔克斯大学在内的多家高校的研究人员一起工作。研究人员还与阿肯色州半导体设备制造商Arktonics合作。

本文来源:DOI: 10.1364/OPTICA.395687

参考文献: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, “Lasing in direct-bandgap GeSn alloy grown on Si,” Nat. Photonics 9, 88–92 (2015).以及南洋理工大学

来源:江苏激光联盟


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