IEEE SiPhotonics2025 | 连续波电泵GeSn/SiGeSn多量子阱激光器

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引言

硅基光电子技术长期以来一直追求在室温下工作的连续波(CW)电泵激光器。近年来，在第四族材料方面的进展使这一目标更加接近现实，特别是通过开发GeSn/SiGeSn多量子阱(MQW)激光器结构。本文探讨了在展示连续波电泵GeSn基激光器方面取得的显著进展，以及其对硅集成光子技术的潜在影响[1]。

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第四族激光器的挑战

光子技术与硅微电子的集成受到缺乏高效、CMOS兼容光源的限制。虽然硅和锗非常适合电子元件，但它们的间接带隙特性使其成为低效的光发射器。2015年，研究人员发现将锡(Sn)掺入锗中可以将其从间接带隙转变为直接带隙半导体，首次实现了第四族材料的激光发射，这是一项根本性突破。

图1. (a) MQW结构的横截面TEM图像。(b) 示例器件的假彩色SEM图像(俯视图)。

最初的光泵GeSn激光器只能在低温下工作，但随后的改进通过张应变工程和增加锡含量等技术将工作温度提高到接近室温。从光泵到电泵的关键转变最近已经实现，首先是脉冲操作，现在是连续波操作，这标志着硅基光电子集成的实质性进步。

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生长和制造工艺

GeSn/SiGeSn MQW激光器结构是在200毫米锗缓冲硅晶圆上通过行业兼容的减压化学气相沉积反应器外延生长的。这种方法确保与标准半导体制造工艺的兼容性。为了提高晶体质量并降低缺陷密度，在厚锗层上生长了一层GeSn缓冲层。

有源区由六个GeSn量子阱(每个厚40纳米)组成，由20纳米SiGeSn阻挡层分隔。顶部是一个150纳米的层，结合低掺杂和高掺杂n型SiGeSn用于电子注入。论文中的图1(a)显示了这种MQW结构的透射电子显微镜(TEM)图像，突出显示了层间界面清晰分明。

制造过程采用标准硅工艺，适应GeSn较低的热预算要求。研究人员使用HBr和Cl2气体的电感耦合等离子体反应离子刻蚀来构建台面几何形状和金属焊盘。关键步骤包括使用CF4气体选择性地去除部分底层锗，这完成了两个重要功能：释放MQW结构中的残余压缩应变，同时保留足够的锗用于电接触。

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回廊模式谐振腔

研究人员制造了各种回廊模式(WGM)谐振腔——微盘和微环配置——具有不同尺寸。微环的总半径从5μm到20μm不等，环宽从2μm到5μm不等。所有器件通过对微环边缘一致的下切保持了相似的带结构，确保各器件在Γ和L能谷之间的能量差异相似。

图2. (a) 微盘激光器在5K下两种不同泵浦条件下的激光光谱。左侧施加500纳秒泵浦脉冲，右侧施加0.5毫秒长脉冲（准连续波）。(b) 微盘激光器的输入电流-输出光（蓝色）特性曲线和LI曲线的二阶导数（黑色）。

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激光器性能表征

激光发射特性使用Bruker vertex 80v FT-IR光谱仪在步进扫描模式下进行表征，最小分辨率为4厘米^-1。研究人员在5至60K的温度范围内施加了不同的电流脉冲长度，从100纳秒(50 kHz)到1毫秒(500 Hz)。值得注意的是，在所有泵浦条件下都观察到了激射，从100纳秒脉冲到连续波操作。

图2(a)展示了微盘激光器在5K下两种不同泵浦条件下的光谱：500纳秒脉冲和0.5毫秒脉冲（准连续波）。两者都显示了激光发射的特征：在0.51 eV和0.58 eV之间的低强度LED背景信号和在0.535 eV的强烈、明显的激射模式。

图2(b)所示的光输出-电流输入(L-I)特性曲线展示了一个20μm直径器件在5K下，脉冲长度为100纳秒的性能。研究人员通过分析L-I曲线的二阶导数确定了激光阈值，该导数在电流密度为8 kA/cm²(6.2 mA)时达到最大值。

一个最显著的发现是，这个阈值电流密度比先前发表的基于双异质结构(DHS)设计的微盘激光器低约10倍。这种显著的阈值降低归因于态密度(DOS)的量子化，其中从三维到二维DOS的转变预定义了贡献电荷载流子的能量。

图3. (a) 5μm环宽，5μm/20μm半径微盘/微环激光二极管在不同温度下的阈值。(b) 接近实际激射波长的相同位置腔模式的Q因子。

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几何效应和热管理

研究人员研究了器件几何形状对激光器性能的影响，比较了不同尺寸的微盘和微环。如图3(a)所示，在10μm半径的盘和5μm宽度的环中观察到相似的阈值电流密度和激射行为。这表明环结构中的中心孔有效地防止了制造更大WGM激光环时通常观察到的阈值电流的平方增加。

然而，这种趋势在2μm宽度的GeSn二极管中没有继续。5μm半径、2μm宽度的窄环在达到7 kA/cm²的电流密度之前没有显示激射行为，这甚至超过了微盘的性能。研究人员确定了这种行为背后的两个关键因素：

首先是热耗散权衡。在下刻蚀的GeSn激光二极管中，热耗散受到GeSn盘/环下方的Ge柱限制。对于2μm宽的环，环/柱面积比比3μm宽的环大2.3倍，比5μm宽的环大3.5倍。较窄的柱子显著限制了从顶部GeSn环散发的热量。

第二个因素与激射模式下腔体的光学品质因数(Q因子)有关。图3(b)显示了四种不同GeSn腔体宽度的模拟Q因子。最大Q因子与实验中获得最低阈值的宽度相对应，这证明了优化腔体几何形状对最佳性能的重要性。

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意义和未来展望

在电泵GeSn/SiGeSn MQW激光器中实现连续波操作代表了朝着室温操作目标迈出的重要一步。通过使用量子阱异质结构，研究人员不仅降低了激光阈值，还实现了连续波发射——这比之前仅有的脉冲操作是一个实质性的进步。

通过优化Ge柱的下刻蚀进一步降低了阈值，这在激光器操作期间改善了光学限制，同时保持了充分的热耗散。环几何形状的适当选择被证明是至关重要的，因为盘几何形状的中心部分可能由于载流子损失和加热效应而产生负面影响。