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材料科学研究学者研发出第一台电注入激光器

发布时间: 2020-08-20 13:37:20   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

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。此前尽管有许多关于光泵浦激光器的报道,但基于GeSn材料开发的激光器还没有出现过。在一项新的研究中,由美国空军科研办公室资助,阿肯色大学,威尔克斯大学,亚利桑那州立大学,麻省大学波士顿分校等研究学者已宣称研发出第一台在Si上电注入GeSn激光器。


. 材料科学研究人员展示了第一台用锗锡制成的电注入激光器。

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,这是实现有效发光的关键。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,它使系统更紧凑,成本更低,效率更高且更可靠。在过去的几年中,光泵浦GeSn激光器的开发逐渐取得了进步。在这些研究者所研究的第一台GeSn激光器中,仅含有12.6%的Sn,工作温度高达90 K。而在后续的报道中,他们宣称较高的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Sn导致了接近室温的激光发射。在降低阈值和提高工作温度的前提下,实现了SiGeSn/GeSn异质结构和多量子阱激光器。作为掺入更多Sn的替代途径,GeSn激光器的成就显示出器件性能的极大提高。到目前为止,所有的GeSn激光器都使用光泵浦,如何实现之前所预测的电注入激光器仍然难以捉摸。

这里,研究人员初步实现了使用商业化学气相沉积反应法(CVD)在Si晶片上生长的电注入GeSn / SiGeSn异质结构激光器。GeSn / SiGeSn双异质结构的成功生长,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。在所制作的脊形波导GeSn激光器上,已观察到高达100 K的脉冲激光,峰值波长为2300 nm。通过测量峰值谱线宽度(0.13 nm0.06 eV))以及光输出与注入电流(LI)的曲线特性,证实了激光的发射。通过高分辨率光谱观察了多模激光特性。在10 K下测量的阈值为598A / cm2。对1077 K的温度范围内不同设备,特征温度T0的提取范围为7699kp-i-n结构设计增强了载流子约束,减少通过II型带对齐盖层的孔穴泄漏。在10 K时测得的峰值功率为2.7 mW/面,相当于外量子效率(EQE)约为0.3%


. 电注入锗锡激光器的原理图及其功率输出与电流和频谱特性。

为了进一步提高器件性能,他们正在进行新结构设计的研究,包括:i)增加Sn含量以增加带隙方向性,从而提高注入效率; ii)在n层上添加SiGeSn缓冲区以增强空穴限制; iii)改善材料质量和制造工艺,以最小化界面缺陷和表面粗糙度,从而减少内部光学损耗; iv)降低掺杂水平以最小化自由载流子吸收。

这项研究成果对改善电子设备电路的方向的研究迈出了重要的一步。锗锡合金可以很容易地集成到电子电路中,为此有利于低成本,轻便,紧凑和低功耗的电子组件的开发。

 

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