江蘇激光聯盟導讀：
長期以來，人們一直期望在Si上的單片激光器能夠實現完整的光子集成，而GeSn材料開發的重大進展表明了這種激光器的前景。儘管有許多關於光泵浦激光器的報道，但在該研究中，研究人員成功研製了在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係示意圖。圖片來源：阿肯色大學
GeSn半導體的研究進展為硅基光電器件的開發開闢了新途徑。Sn含量超過8％時，GeSn變成直接帶隙材料，這對於有效發光至關重要。此外，GeSn外延在Si上是單片的，並且與互補金屬氧化物半導體完全兼容。廣泛的波長覆蓋範圍還使其可廣泛用於中紅外應用，例如生物/化學傳感、光譜學和高溫測定。所有這些優點使GeSn材料成為Si平臺上集成光源的有希望的候選者，這使系統更緊湊，成本更低，效率更高且更可靠。
在過去的幾年中，光泵浦GeSn激光器的開發取得了長足的進步。出現了第一臺GeSn激光器，其成分為12.6％的Sn，可在高達90 K的溫度下工作。後來，據報道，較高的Sn摻入量對提高激光發射溫度是有益的。進一步嘗試摻入20％的錫導致了接近室溫的激光發射。SiGeSn / GeSn異質結構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273K。據報道，在拉伸應變盤結構中，連續波光泵浦激光器的Sn含量低至5.4％。到目前為止，據報道所有GeSn激光器都使用光泵浦，如何實現如先前所預測的電注入激光器仍然難以捉摸。
GeSn激光器
在該研究中，研究人員成功進行了電注入GeSn二極管激光器的首次演示。GeSn / SiGeSn雙異質結構成功生長，從而確保了載流子和光學的約束。為了解決由於GeSn和頂部SiGeSn勢壘之間的II型能帶對準而導致的空穴洩漏，設計了p型頂部SiGeSn層以促進空穴注入。脊形波導GeSn激光器被製作觀察到高達100 K的脈衝激光。在10 K下測量的閾值為598A / cm2。在10至77 K的溫度範圍內從76至99 K提取了特徵溫度0用於不同的設備。
激光裝置的剖面示意圖
研究人員證明了使用商業CVD反應器在Si晶片上生長的電注入GeSn / SiGeSn異質結構激光器。0.13 nm（0.06 eV）的窄峰線寬和LI曲線特性明顯證實了激光。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。最高激光發射溫度為100 K，峰值波長為2300 nm。p−i−n結構設計可通過減少通過II型能帶對準的蓋層的空穴洩漏來增強載流子約束。在10 K時測得的峰值功率為2.7 mW /面，相當於約0.3％的計算EQE。
鍺錫合金是一種很有前途的半導體材料，可以很容易地集成到電子電路中，例如計算機芯片和傳感器中發現的那些。這種材料可使開發低成本，輕便，緊湊和低功耗的電子元件利用光進行信息傳輸和傳感。
於教授研究鍺錫多年。他實驗室的研究人員已經證明了這種材料作為強力半導體合金的功效。在了第一代“光泵浦”激光器成功製造之後，這意味著該材料被注入了光，於和他實驗室的研究人員將繼續精煉該材料。
這項研究是由美國空軍科學研究所贊助的，研究結果已經發表在Optica光美國光學學會雜誌上。這篇文章是阿肯色大學微電子學-光子學專業的一名博士生周寫的。在阿肯色大學電氣工程教授於水清的帶領下，於水清教授和周博士還與包括亞利桑那州立大學，波士頓馬薩諸塞大學，新罕布什爾州達特茅斯學院和賓夕法尼亞州威爾克斯大學在內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體設備製造商Arktonics合作。
本文來源：DOI: 10.1364/OPTICA.395687
參考文獻：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).以及南洋理工大學
