由電氣工程教授余水清（音譯）領(lǐng)導(dǎo)的材料科學(xué)研究人員展示了第一臺(tái)用鍺錫制成的電注入激光器，可在提高微加工速度和效率的同時(shí)，極大降低成本。該激光器可在高達(dá)100K的脈沖條件，或者零下279度的溫度下工作。

電注入鍺錫激光器及其功率輸出與電流和頻譜特性的關(guān)系示意圖。

圖片來源：阿肯色大學(xué)

“我們的研究是基于IV族激光器的一個(gè)重大進(jìn)展，”Yu教授認(rèn)為：“它們可以成為硅上激光集成的途徑，也是朝著顯著改進(jìn)電子設(shè)備電路邁出的重要一步。”

在該研究中，研究人員成功進(jìn)行了電注入GeSn二極管激光器的首次演示。GeSn / SiGeSn雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)成功生長，從而確保了載流子和光學(xué)的約束。為了解決由于GeSn和頂部SiGeSn勢(shì)壘之間的II型能帶對(duì)準(zhǔn)而導(dǎo)致的空穴泄漏，設(shè)計(jì)了p型頂部SiGeSn層以促進(jìn)空穴注入。脊形波導(dǎo)GeSn激光器被制作觀察到高達(dá)100 K的脈沖激光。在10 K下測(cè)量的閾值為598A / cm2。在10至77 K的溫度范圍內(nèi)從76至99 K提取了特征溫度𝑇0用于不同的設(shè)備。

激光裝置的剖面示意圖

研究人員證明了使用商業(yè)CVD反應(yīng)器在Si晶片上生長的電注入GeSn / SiGeSn異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器。0.13 nm（0.06 eV）的窄峰線寬和LI曲線特性明顯證實(shí)了激光。通過高分辨率光譜觀察了多模激光特性。在10 K下獲得598A / cm2的激光閾值。最高激光發(fā)射溫度為100 K，峰值波長為2300 nm。p−i−n結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可通過減少通過II型能帶對(duì)準(zhǔn)的蓋層的空穴泄漏來增強(qiáng)載流子約束。在10 K時(shí)測(cè)得的峰值功率為2.7 mW /面，相當(dāng)于約0.3％的計(jì)算EQE。

這項(xiàng)研究由美國空軍科學(xué)研究辦公室贊助，研究結(jié)果已發(fā)表在光學(xué)學(xué)會(huì)雜志Optica上。這篇文章的作者是美國大學(xué)微電子和光子學(xué)專業(yè)的博士生 Yiyin Zhou。Zhou和Yu與包括亞利桑那州立大學(xué)，波士頓馬薩諸塞大學(xué)，新罕布什爾州達(dá)特茅斯學(xué)院和賓夕法尼亞州威爾克斯大學(xué)在內(nèi)的多家機(jī)構(gòu)的同事一起工作。研究人員還與阿肯色州半導(dǎo)體設(shè)備制造商Arktonics合作。

鍺錫合金是一種很有前途的半導(dǎo)體材料，可以很容易地集成到電子電路中，例如在計(jì)算機(jī)芯片和傳感器中發(fā)現(xiàn)的那些。這種材料可能促使低成本、輕量化、緊湊和低功耗的電子元件的開發(fā)，這些元件利用光來進(jìn)行信息傳輸和傳感。

Yu在鍺錫方面研究多年。他的實(shí)驗(yàn)室的研究人員已經(jīng)證明了這種材料作為強(qiáng)力半導(dǎo)體合金的功效。在報(bào)道了第一代“光泵浦”激光器的制造之后，這意味著該材料被注入了光，Yu和他的實(shí)驗(yàn)室的研究人員在該材料研究方面，又更進(jìn)了一步。