最近在一篇文章发表在开放获取期刊光:科学与应用亚博老虎机网登录程序研究人员制造了一种特定GeSn-on-insulator (GeSnOI)栈的帮助下压力介质光学包复层。他们也证明了GeSnOI适用于单片集成电路的平面Group-IV光子平台上的半导体激光器在不久的中红外波长范围。
研究:GeSnOI中红外激光技术。图片来源:Aumm graphixphoto / Shutterstock.com
为什么使用GeSn合金在中红外激光吗?
划算,CMOS-compatible Si-based光子技术,如绝缘体(SOI)启用了先进的芯片上光学处理的近红外范围内,特别是在高速检测和光学信号调制。然而,缺少单片集成Group-IV激光器是一个主要的缺点。
几十年来,研究人员一直在研究集成III-V化合物的激光表演来提高高硅光子技术。尽管在Si CMOS-compatible高制造成本和复杂的集成制造、III-V激光在硅到目前为止最可靠的光源。
GeSn直接带隙半导体合金锡含量大于7%,符合低成本和大规模的硅加工和生产工具,使它们适合在低成本的激光。
此外,相比,通用电气,GeSn合金有一个窄隙,从而可以改变光子不仅从近红外线波长中,这是适合广泛应用包括气体监测、生化检测、和热成像。集成的GeSn硅为硅光子学的新的应用程序的方式。
GeSnOI平面设计和制造的蛀牙。一个在通用电气原理图的是成年人GeSn SRB和GeSnOI堆栈TE和TM模式的限制在2.4µm波长光学波。给出更多的细节在SI(图S3)。bX-TEM的图像是成年人GeSn Ge SRB和GeSnOI栈。c扫描电子显微镜(SEM)图像GeSn GeSnOI和全面紧张microdisk蛀牙。的横截面示意图表示GeSnOI台面与罪完全包芯可以在底部的左边找到SEM图像(d)平面应变变化,分析了有限元模型(FEM), GeSn和GeSnOI microdisks 7µm直径,由于不同的设计和加工。这里我们情节相对于初始残余应变后增长GeSn−0.5%层的压缩应变。罪层与初始压应力计算,可以放松,从而诱发积极的应变变化。图片来源:王,B et al .,光科学应用亚博老虎机网登录
关于这项研究
研究人员保税Ge0.9Sn0.1合金层生长在Si(001)衬底上的通用电气strain-relaxed-buffer和捏造microdisk-shape谐振器在台面结构。是成年人层使用x射线衍射分析了倒易空间映射和层的残余压缩应变−0.5%。作者还执行回音廊模式(WGM)分析和散射的Al光栅的周期傅里叶模态的方法。
结合GeSn层后,附近的密集的一系列不适应环境的混乱GeSn /通用接口是使用一个简单的蚀刻步骤,消除导致改善活性层的质量进而提高载波注入效率。这些保税结构也开放的可能性有GeSn层上面的一层铝,这有助于更好的散热。
光学应变分析。一个LO-phonon振动拉曼光谱的毯子,是成年人GeSn 10.5% Ge SRB栈,毯子GeSnOI堆栈,GeSn-on-Ge SRB microdisks, GeSnOI平顶山,全能GeSnOI台地。磁盘和台面的直径是7µm。b光致发光光谱GeSn层如(一个用连续波光抽运)兴奋。c直接和间接带隙能量的GeSn作为应变的函数。直接带隙能量从PL测量显示为蓝色的圆圈是成年人GeSn 10.5%通用电气SRB堆栈和GeSn-on-Ge SRB microdisks。红圈表示毯子的PL能量GeSnOI堆栈,GeSnOI台面,全能GeSnOI台面(从左到右)。满线计算直接能带(绿色)和间接带隙(灰色)应变能量函数使用ref。顶部图片描述模型是一个示意图场景带结构的抗压和tensile-strained GeSn。图片来源:王,B et al .,光科学应用亚博老虎机网登录
观察
的GeSnOI microdisk平顶山显示光增益要明显高于常规暂停microdisk谐振器产生的是成年人层。他们进一步表现出提高磁盘的垂直out-coupling WGM平面辐射,有近30%的垂直out-coupling效率。
这项工作表明,GeSnOI栈产生通过结合GeSn活跃层上面讨论解决所有主要的局限性如压缩/拉伸应变管理、晶格失配界面缺陷管理和光学监禁。
团队展示了这些通过系统地比较这两个结构等效光学轴压——暂停microdisk腔产生从一层GeSn Ge SRB和另一个腔组合使用GeSnOI方法,与特定的罪恶压力电影作为隔热层和一个简单的disk-shape台面作为腔。
罪层用于拉伸应变工程提供高指数与GeSn不同,所需的光学监禁。磁盘蛀牙连着衬底没有任何under-etching成为可能缩减规模3µm的直径,这是不可能的,是成年人GeSn-microdisk。最低可实现的直径是成年人GeSn-microdisk而不影响5µm机械和热的健壮性。
GeSnOI台面与成熟GeSn microdisk激光。一个轻(L-L)曲线7µm直径GeSn microdisks和GeSnOI平顶山360 - nm厚GeSn在75 K下脉冲泵(b),cPL光谱在75 K对各种脉冲激发力量GeSnOI台面和GeSn-MD,分别。激励水平的峰值功率密度。图片来源:王,B et al .,光科学应用亚博老虎机网登录
结论
总而言之,microdisk-shaped平顶山铭刻在保税GeSnOI栈暂停GeSn相比有许多优点microdisks。一个GeSnOI disk-shape台面没有界面缺陷被认为在暂停GeSn-microdisk基座GeSn /通用接口。
保税结构GeSnOI disk-shape台面不是under-etched,铝层,充当散热器导致更好的热管理。
光学模式的光学囚禁在活跃GeSn层同样是好GeSnOI平顶山under-etched相比结构悬浮在空中。此外,一个完整的包覆的GeSn台面与罪绝缘体层提供了高水平的均匀分布的拉伸应变,暂停GeSn-microdisk不可行。
这个GeSnOI平台的主要优势是能够主动激光结构被动混合罪电路从近红外范围中红外范围。
这代表了一个新标准红外Group-IV光子学,删除III-V激光器集成的必要性。因此,GeSnOI方法是一种宝贵的资源在开发硅基中红外光学相结合的复杂的光波工程与集成的源光子平台。
源
王,B。Sakat E。Herth E。et al。GeSnOI中红外激光技术。光科学:232 (2021)。https://www.nature.com/yabo214articles/s41377 - 021 - 00675 - 7
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