IV族半导体是半导体研究中的重要组成部分，因其在光通信、光计算和传感器等领域的应用受到广泛关注。特别是在硅光子学（SiPh）技术中，基于硅的光子集成电路（PIC）被视为未来信息和通信技术的关键。然而，传统的硅光子学技术存在一个重大瓶颈，即缺乏高效的电驱动光源。尽管III-V族材料如GaInAsSb/AlGaAsSb在中红外波长范围内成功实现了激光发射，但由于其生长难度、兼容性问题和污染问题，难以与硅技术无缝集成。因此，寻求一种全IV族半导体的激光器，尤其是基于GeSn和SiGeSn材料的激光器，具有重大的科学和技术意义。GeSn和SiGeSn材料系统的独特之处在于，通过合理选择合金成分和外延应变，能够将其晶格设计为直接带隙半导体，满足光子学应用的需求。与传统硅材料相比，GeSn和SiGeSn具有优异的光学特性和较低的电流注入阈值，然而，实现电驱动、连续波（CW）激光发射仍面临较大挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，德国斯图加特大学（University of Stuttgart）的研究团队在GeSn/SiGeSn异质结构激光器的研究中取得了新进展。该团队设计并制备了一种基于6周期SiGeSn/GeSn多量子阱（MQW）结构的电驱动激光器，该激光器在2.32 µm的近红外波长下发射，并成功实现了低至4 mA的注入电流，达到了电驱动连续波操作的关键里程碑。相关研究成果以“Continuous-wave electrically pumped multi-quantum-well laser based on group-IV semiconductors”为题，发表在Nature Communications期刊上。
这项研究采用了工业化的减少压力化学气相沉积（RP-CVD）技术在硅基片上生长了多层异质结构。该结构包括具有20 nm厚Si0.06Ge0.83Sn0.11势垒和40 nm厚Ge0.885Sn0.115阱的六周期MQW层，以及用于电子注入的n型Si0.06Ge0.83Sn0.11层。高质量的外延和原子分布如图1a所示。异质结构与典型MQW激光器堆叠的不同之处在于光学活性区域和注入层及其掺杂机制的设计。图1b为激光腔被设计为欠蚀刻的微盘，图1e为该半导体激光器的I-V特性。
图1 SiGeSn/GeSn多量子阱结构
研究人员将该半导体激光器放置于低温恒温器中，并使用傅里叶变换光谱仪在连续扫描模式下分析其发光，相关结果如图2所示。连续波激光发射是最具挑战性的工作模式，特别是对于低增益材料，因为器件的自热会提高增益介质的晶格温度。
图2 电泵浦激光器发射特性
该研究的成功依赖于对材料质量和外延应力的精准控制，利用电子束扫描透射电镜（STEM）和能量色散X射线映射技术验证了原子分布的均匀性和高质量的生长特性。该团队还通过优化器件设计，使得在低温下（液氮温度）切换至脉冲模式，从而显著降低了热负荷并保证了激光器的稳定运行，相关结果如图3所示。激光器阈值与晶格温度的关系是半导体激光器的基本特性，相关研究结果如图4所示。
图3 脉冲泵浦下的激光器发射特性
图4 激光器阈值
综上所述，这项研究提出了一种多功能电泵浦连续波激光器，其发射波长为2.32 μm，阈值电流为4 mA。该激光器基于6周期SiGeSn/GeSn多量子阱异质结构，通过更改为脉冲操作并减少热负荷，可以在液氮温度下运行微盘激光器。这项研究显著提高了基于IV族材料的激光器的性能，为实现全IV族光子学技术平台迈出了重要一步，预计将在集成量子计算、低温电子学和光学计算等领域带来深远影响。
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54873-z
