首个直接在硅晶片上生长的激光器

近日，德国的Jülich研究中心、斯图加特大学以及莱布尼茨高性能微电子研究所（IHP）的科学家们，联合法国的合作伙伴CEA-Leti，共同研制出了一种电泵浦连续波半导体激光器。值得一提的是，该激光器全部是由元素周期表第四组（“硅族”）的元素构成的。 

据悉，这种新型激光器的制作材料是硅基锗锡和锗锡堆叠而成的超薄层，而且它还是同类激光器里首个直接在硅晶片上生长出来的激光器。它的出现，为片上集成光子学开拓出了新的可能性，该研究成果已发表Nature Communications上。

仅由IV组元素制成的新型激光器

团队开发人员指出，这一成果“预示着未来微芯片将具备低成本的光子集成电路，这不仅能大幅削减成本，还能大幅提高性能”。

在硅芯片上单片集成光活性元件方面，近年来已取得显著进展，像高性能调制器、光电探测器以及波导等关键组件均已被成功开发。不过，一直以来都存在一个棘手的难题，即仅采用IV类半导体的高效电泵浦光源较为匮乏。

无缝集成的实现 

以往，这类光源通常依赖III-V族材料，而这些材料很难与硅集成，一直导致成本居高不下。如今研发的该款新型激光器则填补了这一空白，它与传统的用于芯片制造的CMOS技术相兼容，能够无缝集成到现有的硅制造工艺之中，因此可被视作硅光子学工具箱里“缺失的关键一环”。

新型激光器的SEM和示意图

Jülich的Peter Grünberg半导体纳米电子学研究所的Dan Buca博士表示，“近十年来，我们始终在探索锗锡合金所蕴含的可能性，开发高效的电泵浦激光器成为是我们的核心目标之一。此次突破进一步彰显了锗锡合金在各类应用中的巨大潜力，在光子应用领域更是如此。” 

与此前依靠高能光泵浦的锗锡激光器有所不同，这种新型激光器在仅2 V的电压下，以低至5 mA的电流注入便可工作，其能耗与发光二极管相当。借助其先进的多量子阱结构与环形几何形状，激光器能够最大程度降低功耗与热量产生，进而可在高达90K或零下183.15°C的温度下稳定运行。

该款激光器生长在标准硅片之上，就如同硅晶体管所使用的硅片一样，是首个真正具有实用价值的IV类激光器，尽管还需要进一步优化，以便进一步降低激光阈值来实现室温运行。然而，早期光泵浦锗锡激光器在短短数年内就从低温运行成功发展至室温运行，这无疑为后续发展指明了清晰的方向。

在光泵浦激光器中，需要借助外部光源来产生激光，而电泵浦激光器则是在电流通过二极管时产生光。电泵浦激光器往往更具节能优势，因为它可直接将电能转化为激光。

该研究小组由Forschungszentrum Jülich PGI-9的Buca博士领衔，多年来一直在开拓锡基IV族合金，与IHP、斯图加特大学、CEA-Leti、C2N巴黎南大学和米兰理工大学等成为伙伴合作。他们已经充分证明了该合金在光子学、电子学、热电学和自旋电子学中的应用潜力。随着这一全新成果的诞生，硅光子学为下一代微芯片提供一体化解决方案的愿景成为触手可及。

(来源：optics.org)