第一臺電注入雷射器研製成功

2020-08-10 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：

長期以來，人們一直期望在Si上的單片雷射器能夠實現完整的光子集成，而GeSn材料開發的重大進展表明了這種雷射器的前景。儘管有許多關於光泵浦雷射器的報導，但在該研究中，研究人員成功研製了在Si上電注入GeSn雷射器。

電注入鍺錫雷射器及其功率輸出與電流和頻譜特性的關係示意圖。圖片來源：阿肯色大學

GeSn半導體的研究進展為矽基光電器件的開發開闢了新途徑。Sn含量超過8％時，GeSn變成直接帶隙材料，這對於有效發光至關重要。此外，GeSn外延在Si上是單片的，並且與互補金屬氧化物半導體完全兼容。廣泛的波長覆蓋範圍還使其可廣泛用於中紅外應用，例如生物/化學傳感、光譜學和高溫測定。所有這些優點使GeSn材料成為Si平臺上集成光源的有希望的候選者，這使系統更緊湊，成本更低，效率更高且更可靠。

在過去的幾年中，光泵浦GeSn雷射器的開發取得了長足的進步。出現了第一臺GeSn雷射器，其成分為12.6％的Sn，可在高達90 K的溫度下工作。後來，據報導，較高的Sn摻入量對提高雷射發射溫度是有益的。進一步嘗試摻入20％的錫導致了接近室溫的雷射發射。SiGeSn / GeSn異質結構和多量子阱雷射器的閾值降低，工作溫度升高。作為摻入更多錫的替代途徑，GeSn雷射器應變工程的成就顯示出器件性能的極大提高。具有16％錫成分的雷射器工作溫度高達273K。據報導，在拉伸應變盤結構中，連續波光泵浦雷射器的Sn含量低至5.4％。到目前為止，據報導所有GeSn雷射器都使用光泵浦，如何實現如先前所預測的電注入雷射器仍然難以捉摸。

GeSn雷射器

在該研究中，研究人員成功進行了電注入GeSn二極體雷射器的首次演示。GeSn / SiGeSn雙異質結構成功生長，從而確保了載流子和光學的約束。為了解決由於GeSn和頂部SiGeSn勢壘之間的II型能帶對準而導致的空穴洩漏，設計了p型頂部SiGeSn層以促進空穴注入。脊形波導GeSn雷射器被製作觀察到高達100 K的脈衝雷射。在10 K下測量的閾值為598A / cm2。在10至77 K的溫度範圍內從76至99 K提取了特徵溫度0用於不同的設備。

雷射裝置的剖面示意圖

研究人員證明了使用商業CVD反應器在Si晶片上生長的電注入GeSn / SiGeSn異質結構雷射器。0.13 nm（0.06 eV）的窄峰線寬和LI曲線特性明顯證實了雷射。通過高解析度光譜觀察了多模雷射特性。在10 K下獲得598A / cm2的雷射閾值。最高雷射發射溫度為100 K，峰值波長為2300 nm。p−i−n結構設計可通過減少通過II型能帶對準的蓋層的空穴洩漏來增強載流子約束。在10 K時測得的峰值功率為2.7 mW /面，相當於約0.3％的計算EQE。

鍺錫合金是一種很有前途的半導體材料，可以很容易地集成到電子電路中，例如計算機晶片和傳感器中發現的那些。這種材料可使開發低成本，輕便，緊湊和低功耗的電子元件利用光進行信息傳輸和傳感。

於教授研究鍺錫多年。他實驗室的研究人員已經證明了這種材料作為強力半導體合金的功效。在了第一代「光泵浦」雷射器成功製造之後，這意味著該材料被注入了光，於和他實驗室的研究人員將繼續精煉該材料。

這項研究是由美國空軍科學研究所贊助的，研究結果已經發表在Optica光美國光學學會雜誌上。這篇文章是阿肯色大學微電子學-光子學專業的一名博士生周寫的。在阿肯色大學電氣工程教授於水清的帶領下，於水清教授和周博士還與包括亞利桑那州立大學，波士頓麻薩諸塞大學，新罕布夏州達特茅斯學院和賓夕法尼亞州威爾克斯大學在內的多家高校的研究人員一起工作。研究人員還與阿肯色州半導體設備製造商Arktonics合作。

本文來源：DOI: 10.1364/OPTICA.395687

參考文獻：S. Wirths, R. Geiger, N. von den Driesch, G. Mussler, T. Stoica, S. Mantl, Z. Ikonic, M. Luysberg, S. Chiussi, J. M. Hartmann, H. Sigg, J. Faist, D. Buca, and D. Grützmacher, 「Lasing in direct-bandgap GeSn alloy grown on Si,」 Nat. Photonics 9, 88–92 (2015).以及南洋理工大學

相關焦點

  • 世界上第一臺電驅動「拓撲」雷射器!
    來自新加坡南洋理工大學和英國利茲大學的科學家和工程師創造了第一臺電驅動的「拓撲」雷射器，該雷射器能夠將光粒子繞過角落並應對設備製造中的缺陷。電驅動半導體雷射器是當今最常見的雷射器，可用於條形碼讀取器和雷射印表機等產品、光纖通信及新興應用，例如用於自動駕駛汽車的雷射測距傳感器。但其製造過程要求非常嚴格，如果出現任何缺陷，將對雷射器的性能及功能造成很大影響。
  • 我國第一臺CO2雷射器的研製歷程
    現在研製成功的雷射器種類有許多，其中CO2雷射器是研究最多、應用最廣泛和大眾最熟悉的雷射器之一，特別是在工業生產中，諸如材料的切割、焊接、打孔、表面強化處理等，這種雷射器發揮著重要作用。這種優秀的雷射器我國是什麼時間研製成功的？研製歷程是怎樣？下面我想談談這件事。
  • 雷射往事:我國第一臺CO2雷射器的研製歷程
    現在研製成功的雷射器種類有許多，其中CO2雷射器是研究最多、應用最廣泛和大眾最熟悉的雷射器之一，特別是在工業生產中，諸如材料的切割、焊接、打孔、表面強化處理等，這種雷射器發揮著重要作用。這種優秀的雷射器我國是什麼時間研製成功的？研製歷程是怎樣？
  • 中科院研製:新型氮化鎵半導體雷射器問世!
    自1996年日本日亞公司研製了國際首支GaN基雷射器以來，GaN基雷射器性能得到了巨大提升，單顆晶片連續輸出功率已超過7瓦，然而其電光轉換效率仍然較低矽基GaN翻轉脊形波導雷射器的(a)掃描透射電子顯微鏡(STEM)圖，(b)有源區的STEM圖，(c)雷射器腔面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖 基於上述工作，孫錢團隊實現了矽基GaN翻轉脊形波導雷射器的室溫電注入連續激射(圖4)。
  • 功率突破1千瓦:超級雷射器成功研製出
    一個由英國和捷克科學家組成的科研團隊於24日宣布，他們已經成功研製出一種「超級雷射器」，其能量強度是同級設備的10倍。這一高峰值功率雷射器的平均輸出功率為1000瓦，具有持續的，高能量的脈衝基準。未來可以用於航空、汽車領域以及電力部門，如硬化金屬表面、加工半導體或微型材料。該雷射器重達20公噸，成本為4800萬美元。
  • 山西大學研製出5W的單頻光纖雷射器
    ：近日，科技部組織有關專家對由山西大學、華南理工大學、西北大學等單位承擔的國家863計劃「單頻雷射器關鍵技術」課題進行了驗收。　　單頻雷射器是一種輸出為單橫模(一般為基模)、單縱模的雷射器。由於單頻雷射器具有光束質量好、相干長度長、譜線寬度窄、單色性好等優點，因此在雷射雷達、雷射測距、雷射遙感、雷射醫療、光譜學、光頻標準和非線性光學頻率變換等領域中具有廣泛的應用。通常來說，獲得單頻雷射器的方案主要有以下幾種：環形腔，短腔法，腔內插入選模元件，扭轉模，預雷射，種子注入等。
  • 蘇州納米所研製新型氮化鎵半導體雷射器
    III族氮化物半導體是繼第一代Si、Ge元素半導體和第二代GaAs、InP化合物半導體之後的第三代半導體，通常又被稱為寬禁帶半導體。其為直接帶隙材料，禁帶寬度在0.7 eV (InN)至6.2 eV (AlN)之間連續可調，發光波長覆蓋了近紅外、可見光到深紫外等波段;其還具有發光效率高、熱導率大、化學穩定性好等優點，可用於製作半導體雷射器。
  • 世界上第一臺雷射器的誕生簡史
    1951年，美國哥倫比亞大學的一位教授查爾斯·湯斯(Townes)對微波的放大進行了研究，經過三年的努力，他成功地製造出了世界上第一個"微波激射器"，即"受激輻射的微波放大"的理論。湯斯在這項研究中花費了大量的資金，因此他的這項成果被人們起了個綽號叫做"錢泵"，說他的這項研究花了很多的錢。
  • 半導體雷射器是什麼?
    半導體雷射器是什麼？半導體雷射器是一種把電能轉換為光能的新型器件。1962年有人研究成功在液氮溫度下，正向偏置的砷化鎵PN結雷射器。以後又研究成功了雙異質結的半導體雷射器，使半導體雷射器的性能有了進一步的提高。
  • 東南大學研製成功高功率氦氖雷射器 - 新聞中心
    東方網9月29日消息：一種輸出功率高達500毫瓦以上的氦氖雷射器近日在寧通過有關專家的技術鑑定。據介紹，該雷射器包含4支特殊結構的高功率氦氖雷射管，每支雷射管的輸出功率在130毫瓦以上。專家們認為該雷射器輸出功率水平居世界領先地位，其雷射管和腔體設計屬國際首創。
  • 1961年我國第一臺紅寶石雷射器誕生-搜狐IT
    1961年8月，中國第一臺雷射器--"小球照明紅寶石"雷射器，在中國科學院長春光學精密機械研究所誕生了。它雖比國外同類型雷射器的問世遲了近一年的時間，但在許多方面有自身的特色，特別是在激發方式上，比國外雷射器具有更好的激發效率，這表明我國雷射技術當時已達到世界先進水平。
  • 全球首款基於固體的X射線雷射器研製成功
    ——研究人員首次基於固體研製出了X射線雷射器。其方法是基於德國電子同步加速器研究所（DESY）的脈衝自由電子雷射器開闢的材料研究全新途徑，相關報導由德國亥姆霍茲柏林中心（HZB）Alexander Föhlisch教授發表在「自然」雜誌上。
  • Apogee研製滿足100GbE標準的CWDM雷射器
    為了支持IEEE 802.3高速研究集團(HSSG)正在討論制定的100GbE標準，Apogee光子公司目前宣布正在研製一種無製冷CWDM雷射器，該雷射器將可支持100 Gbits/sec甚至更高的速率。
  • 自愛因斯坦提出受激輻射到第一臺雷射器的誕生
    自誕生第一臺雷射器以後近40年裡，雷射技術已經滲透到生物、化學、物理、醫學領域，形成雷射物理學、雷射化學、雷射生物學和雷射醫學等許多新的邊緣學科。　　雷射器的產生和發展　　1916年愛因斯坦提出的「自發和受激輻射」理論是現代雷射系統的物理學基礎。但是，在此之後的40多年裡，一直沒有人在實驗室證實受激輻射的存在。
  • 史上今日:1960年1月18日 研製出世界上第一臺紅寶石雷射器
    史上今日：1960年1月18日 研製出世界上第一臺紅寶石雷射器2017-01-18 00:00 來源： 科普中國 1960年1月18日，美國加利福尼亞休斯實驗室的西奧多·梅曼研製出了世界上第一臺紅寶石雷射器。
  • 新型微納光子晶體雷射器研製成功—新聞—科學網
    香港中文大學（深圳）理工學院教授張昭宇課題組與合作團隊在矽基光晶片領域取得重要進展，首次實現了可與微電子單片集成的矽基三五族微納光子晶體雷射器。
  • 一文讀懂氮化鎵雷射器
    對於GaN基雷射器，雷射器結構如圖2所示，所面臨的問題目前主要集中在三個方面：如何製備高質量InGaN/GaN多量子阱、如何減少內部光損耗以及如何增加空穴注入效率？極化電場使有源區多量子阱的能帶發生傾斜，提高了空穴注入的勢壘，從而使得空穴從p側的量子阱區注入n側的量子阱區變得困難。這種不均勻的空穴注入會導致雷射器閾值電流增大而斜率效率降低。二、發展過程1994年赤崎勇和天野浩教授首先報導了基於氮化鎵雙異質結構、波長為402.5 nm的受激輻射。
  • 記我國第一臺紅寶石雷射器研發者之一:鄧錫銘
    鄧錫銘，男，廣東東莞人，中國科學院院士，光學、雷射專家，他組織研發出我國第一臺紅寶石雷射器，並創建了以「神光」系列為代表的高功率雷射裝置。　　說到雷射器，就不能不提到一位東莞籍的科學家—鄧錫銘，他是我國的雷射科技之父，光學、雷射學專家。
  • 臺電x98怎麼樣 臺電x98報價及參數
    品牌介紹　　臺電這個品牌大家應該都是知道的，它是一家有著非常高知名度的IT企業。創立這些年來，臺電對於工廠的要求一直都非常嚴格，每樣產品的生產都是經過嚴格的質量把控，現在臺電產品的良品率下線已高達99.8%。所以臺電產品的質量大家是可以完全放心的。臺電x98就是臺電旗下的一款平板電腦。
  • 士官學校雷射專家研製特殊紅外窗口 令反導攔截彈速度提高30%
    中新網今日刊登文章，介紹我國武漢軍械士官學校光電技術研究所所長程勇在科研領域的先進事跡，這位專家先後研製出了「免調試雷射器」、「雷射沉積類金剛石膜」和「互注入相干合成」等重要技術難題，這其中，「雷射沉積類金剛石膜」技術被運用於我國中段反導攔截彈上，據報導，這一成果讓飛彈的飛行速度提高了30%。