GeSnOI 中红外激光器，开辟了CMOS 兼容的硅的光子新途径
2021/11/30 20:32:48 材料来源：化合物半导体
该技术解决了晶格失配缺陷、压缩应变工程、热管理和光限制问题
在过去的几十年中，低成本且与 CMOS 兼容的基于硅的光子技术取得了重大进展，特别是在数据通信应用和高速光链路方面。然而，单片集成硅光子电路的一个主要瓶颈是缺乏兼容 COMS 的激光器。
迄今为止，III-V族激光器是集成平台上最标准、最可靠的光源。然而，III-V族激光器的CMOS不兼容工艺导致了制造成本高和硅芯片制造链上的复杂集成�；蛘�，IV 族 GeSn 半导体合金对锡含量大于 7% 具有直接带隙，有望用于 CMOS 兼容和低成本激光器。
自2015年第一台GeSn激光器演示以来，研究的重点是基于硅上Ge应变松弛缓冲区上生长的GeSn层设计的GeSn激光器。问题在于GeSn和Ge之间的晶格失配会导致压缩应变。这会降低GeSn合金的能带结构直接性，从而降低其光学增益特性。压缩应变甚至可以将GeSn合金的能带结构从直接改变为间接，从而使它们的增益特性消失。
主流方法是在其塑性松弛的临界厚度之上生长较厚的 GeSn 层。然而，这会在 GeSn-Ge 界面附近形成非常密集的阵列失配缺陷，从而引入非辐射复合过程来对抗激光。此外，在这些情况下仍然存在残余压缩应变。
为了补偿压应变的影响，GeSn激光器的大部分工作都集中在增加Sn浓度上。这种方法能够提高 GeSn 激光器的最大激光温度，但较高的 Sn 含量会导致更多的 GeSn-Ge 界面缺陷，进而导致 MW/cm2 数量级的更高激发阈值。但是，由于 Sn 在 Ge 中的平衡溶解度仅为 1%，因此进一步增加 GeSn 中的 Sn 浓度是一个很大的挑战。因此，基于生长层的 GeSn 激光器在材料生长和激光性能方面都存在瓶颈。
在 《光科学与应用》（Light Science & Application ）上发表的一篇新论文中，由巴黎萨克雷大学纳米科学和纳米技术中心的 Moustafa El Kurdi 和法国 CEA 的同事领导的一组科学家开发了一种特定的 GeSn-on - 用于高性能 GeSn 激光器的绝缘体 (GeSnOI) 技术。
他们通过在硅片上使用键合工艺制造了 GeSn-SiN-Al 叠层。然后将 GeSnOI 层图案化成微盘激光腔。他们证明了这种 GeSnOI 技术可以同时解决晶格失配界面缺陷、压缩/拉伸应变工程、热管理和光学限制。
结果是GeSn激光器具有更低的阈值、更高的最大激光温度、更强的激光强度。多功能 GeSnOI 平台还允许科学家为多功能平面 GeSn 激光器铺平道路，例如通过使用 SiN 应力层以及复杂的片上光波工程可调谐激光波长。通过添加专门设计的圆形光栅，它们确实显示了来自 GeSnOI 圆盘谐振器的面内激光的回音壁模式的垂直重定向。
GeSnOI 叠层的 GeSn-Ge 界面缺陷在转移和键合过程后通过简单的顶部蚀刻被完全去除，从而获得更好的有源层质量和更高的光学增益。与传统的生长的 GeSn 方法相比，改进的增益导致基于 GeSnOI 的激光器的激光强度提高 60 倍，最大激光温度提高 55 K，阈值降低。
SiN 层的低指数在 GeSn 层中提供了强大的光学限制，而无需对其进行底切。 SiN 层还用作应力源层，可以额外地将拉伸应变传递到 GeSn 有源腔，然后克服残余压缩应变问题。这使得具有应变和模态管理的平面激光腔设计成为可能，而无需底切层，例如此处使用简单的微盘-台面。
相比之下，在基于生长层的传统 GeSn 激光器中，底切是强制性的，以处理应变和模态工程，此外，在这种情况下，密集的 GeSn-Ge 界面失配缺陷仍然存在。底切产生的热耗散效率较低，特别是对于减小的磁盘直径，此处直径小于 6 µm 的结构太脆弱而无法提供激光。科学家使用基于GeSnOI平台的平面台面，结合铝热沉，在直径为3μm的测量盘中观察到激光，接近2.4μm的激光波长。这是迄今为止显示的最小的GeSn激光盘。
多功能 GeSnOI 平台使科学家能够为多功能平面 GeSn 激光器铺平道路。例如，通过沉积和部分蚀刻顶部SiN应变层，实现激光波长的可控调谐。在铝圆光栅的帮助下，他们将激光发射方向从平面内重定向到平面外。
科学家预测，“我们的 GeSnOI 平台可以实现其他平面激光器配置，例如脊法布里-珀罗波导、环形腔甚至复杂的光子晶体。该平台的另一个关键优势是它能够结合无源中红外 SiN 组件和 GeSn 光电探测器和光源，以开发与 CMOS 兼容的所有 IV 族集成光子电路。它代表了 2-4 µm 波长范围内红外 IV 族光子学的新范例，并减轻了硅光子芯片上 III-V 族激光集成的需求。”
“该平台与电驱动的 GeSn 器件完全兼容，甚至可以提供更好的性能。我们的技术还通过简单地将 Sn 含量增加到可用浓度（最近提交审查）预示着第一个室温 GeSn 激光器的出现。”他们补充说。
参考资料
Wang, B., Sakat, E., Herth, E. et al. GeSnOI mid-infrared laser technology. Light Sci Appl 10, 232 (2021)
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