實現硅基激光器關新突破

江蘇激光聯盟導讀：

當涉及微電子學時，有一種化學元素與眾不同：硅是驅動我們信息社會的晶體管技術的主要力量。我們日常生活中使用的無數電子設備證明了當今如何能夠以非常低的成本生產大量的硅基組件。因此，自然而然地，將硅也用於半導體特性被技術開發的其他領域，並探索集成不同功能的方法。在這種情況下，人們特別感興趣的是二極管激光器，例如條形碼掃描儀或激光指示器中使用的二極管激光器，其通常基於砷化鎵（GaAs）。但是不幸的是，在砷化鎵中產生光的物理過程在硅中不能很好地工作。因此，找到實現“硅激光器”的替代途徑仍然是一個傑出而長期的目標。

自半導體二極管激光器展示和硅基晶體管技術的高度普及以來，硅基激光器是硅光子學的長期目標。硅基激光器的顯著優勢應歸功於高產量的製造工藝，這樣既可以實現大批量生產的低成本，又可以實現光子集成電路的低成本光子系統。

不能直接將硅用於跟隨GaAs模板製造激光器的主要原因與其帶隙的不同性質有關，這在後者中是直接的，而在前者中是間接的。簡而言之，在砷化鎵中，電子會與能帶隙中的空穴複合，從而產生光。在硅中，它們產生熱量。因此，硅中的激光作用需要另一條路徑。蘇黎世聯邦理工學院博士研究員David Stark和他的同事正在探索一種新的方法。他們致力於硅基量子級聯激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)。QCL的發光不是通過帶隙上的電子-空穴複合，而是通過使電子隧穿經過精確設計的半導體結構的重複堆疊而實現的，在此過程中會發射光子。

到目前為止，量子級聯激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)已經在許多材料中得到了驗證。首次證明是在1994年，由當時在美國貝爾實驗室工作的Jerme Faist等人組成的團隊進行了驗證，儘管預測前景看好，但從未在基於硅的材料中得到證明。

由於在中紅外和遠紅外波長觀察到由於非極性Si / SiGe異質結構的價帶躍遷，因此帶間電致發光應變結構產生複雜的價帶和較大的有效質量（〜0.3 m0,11（其中m0是自由電子質量）導致增益差，因此，沒有證明後續的激光作用。從理論上講，具有較低有效質量（約0.135m0）的n型Ge / SiGe和Ge / GeSiSn材料構型有望實現室温THzQCL。高於6HzTHz的跳變應該是可及的。由於硅和鍺之間的晶格失配很大，因此在硅晶片上生長此類富鍺結構特別具有挑戰性。直到最近幾年，Ge / SiGe異質結構才達到了此類應用所需的質量標準。

近日，由來自蘇黎世聯邦理工學院量子電子研究所的Giacomo Scalari教授和JérômeFaist領導的國際團隊提出了一種Ge / SiGe量子級聯設計，其中基於非平衡格林函數(NEGF)的計算可預測到室温的增益。該設計基於採用從束縛到連續的躍遷的量子阱有源區。並且涉及總共四個子帶狀態。儘管這種設計方法對激光器具有良好的前景，但並不是開發新的太赫茲(THz)量子級聯發射器的理想選擇。斜向光學躍遷會導致發射範圍寬24和每個週期的高電壓降。

為了明確地證明Ge/SiGe量子級聯結構的電致發光，研究人員採用了GaAs / AlGaAs單量子阱（SQW）設計。預計SQW有源區不會顯示高光學增益。取而代之的是，低電流密度以及每個週期的適度能量下降會導致設備發熱降低。因此，可以減少不需要的黑體發射。垂直子帶間躍遷的窄頻譜峯應導致頻譜中的清晰特徵。在這項工作中，具有相同預期發射能量的相似GaAs / AlGaAs結構用於與Ge / SiGe結果進行定量基準比較。

▲圖1. (a)NEGF計算的目標SQW設計在22 mV /週期的導帶圖和Wannier-Stark狀態。黑色實線和灰色實線分別是L-谷和Δ2-谷中的電勢。橙色刻度表示在10 energyK時的位置和能量分辨的電流密度，積分電流密度為37 A / cm2。標稱週期長度為82.4 nm，片材摻雜密度為2.5×1010 cm-2。從注入勢壘開始，具有納米厚度的標稱層序列為4.7 / 19.9 / 3 / 13.9 / 3 / 11.6 / 3 / 3.8 / 3 / 3.8 / 3 / 9.7。Ge井為標準字體，Si0.15Ge0.85勢壘為粗體，磷摻雜層帶有下劃線。(b) 在樣本2306上圍繞非對稱Si反射獲取的相互空間圖。(c) 比較測量的和模擬的（004）XRD搖擺曲線。為了清楚起見，對模擬曲線進行了平移。(d) SQW異質結構在不同放大倍數下的STEM圖像。SiGe勢壘較暗。(e) SEM圖像和Ge / SiGe叉指式衍射光柵的示意圖。示意圖顯示了單個光柵指的橫截面及其在規則生長方向上的偏置配置。如果生長方向相反，則極性切換。

▲當電子穿過Ge / SiGe異質結構隧穿時，由於在輻射躍遷的較高狀態下的次優注入，它們發出的光當前處於兩個略有不同的頻率。

該團隊設計並製造了具有由SiGe和純鍺（Ge）製成的單元結構的設備，其高度小於100納米，重複了51次。從這些基本上以原子精度製造的異質結構中，Stark及其同事如所預測的那樣檢測到電致發光，而出射光的光譜特徵與計算結果非常吻合。與按相同器件幾何形狀製造的基於GaAs的結構進行比較，進一步確保了器件能夠按預期工作。儘管Ge / SiGe結構的發射仍遠低於其基於GaAs的發射，但這些結果清楚地表明該團隊處於正確的軌道上。下一步將是根據該團隊開發的激光設計組裝相似的Ge / SiGe結構。最終目標是使硅質QCL在室温下工作。

這樣的成就在幾個方面都將是重要的。最終，它不僅會在硅基板上實現激光，從而促進了硅光子學的發展。由Stark等人創建的結構的發射。在太赫茲地區，目前缺少緊湊型光源。基於硅的QCL具有潛在的多功能性並降低了製造成本，對於從醫學成像到無線通信的現有和新應用領域中的太赫茲輻射的大規模使用而言，這可能是一個福音。

該研究成果於3月8日發表在《AIP應用物理快報》上。

本文來源：David Stark et al, THz intersubband electroluminescence from n-type Ge/SiGe quantum cascade structures, Applied Physics Letters (2021). DOI: 10.1063/5.0041327