材料科学研究学者研发出第一台电注入激光器

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，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研发出第一台在Si上电注入GeSn激光器。

图1 由电气工程教授Shui-Qing Yu领导的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。半导体激光器采用半导体材料制成的电子设备电路，可以大大降低成本，提高微加工速度和效率。

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激光器的开发取得了长足的进步。第一台GeSn激光器，其含有12.6％的Sn，工作温度高达90 K。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激光器应变工程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，研究人员证明了使用商业化学气相沉积反应器（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。制作了脊形波导GeSn激光器，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 nm（0.06 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10至77 K的温度范围内不同设备，特征温度T0的提取范围为76～99k。p-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%。

图2 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。