中国科学院
与常规生长的锗氮圆盘相比，锗氮圆盘谐振器的激光性能
光入射-光出射曲线
作为盘直径函数的激光阈值
作为圆盘直径函数的最大激光发射温度
较小的圆盘直径由于其底切而不能被生长的锗硅层获得
荣誉:王彬彬、埃米莉·萨卡特、艾蒂安·赫思、马克西姆·格罗莫夫伊、安杰利卡·比耶拉雅克、朱利安·沙特、吉勒·帕特里夏奇、菲利普·布考德、弗雷德里克·博乌夫、尼古拉斯·保罗、文森特·卡尔沃、热雷米·克雷蒂安、马文·弗劳恩拉斯、阿列克谢·切尔诺夫、文森特·雷布德、让-米歇尔·哈特曼和穆斯塔法·埃尔·库迪 直接带隙锗氮合金已成为低成本红外激光制造的第四族增益材料
他们面临着高阈值功率和低激射温度等主要问题，这些问题阻碍了他们集成到完全兼容CMOS的光子芯片中
法国科学家开发了一种特殊的绝缘体上锗硅(GeSnOI)技术，将缺陷、应变、电子带、模态和热工程结合在一起
他们在一个多功能光子平台上展示了一个具有改进性能的锗氮激光器
低成本和与CMOS兼容的硅基光子技术在过去几十年中取得了重大进展，特别是在数据通信应用和高速光链路方面
然而，单片集成硅光子电路的一个主要瓶颈是缺乏与COMS兼容的激光器
这主要是由于第四族半导体的电子能带结构的间接性质
到目前为止，ⅲ-V激光器是集成平台上最标准、最可靠的光源
然而，ⅲ-ⅴ族激光器的CMOS不兼容工艺导致高制造成本和硅片制造链上的复杂集成
另外，对于锡含量大于7 %的第四族锗氮半导体合金，其直接带隙有望用于CMOS兼容和低成本激光器
自2015年展示第一台锗氮激光器以来，研究的重点是基于锗应变弛豫硅缓冲层上生长的锗氮层设计的锗氮激光器
它的问题是锗氮和锗之间的晶格失配引起压缩应变
这是不希望的，因为压缩应变通过降低其能带结构的直接性而降低了GeSn合金的光学增益特性
压缩应变甚至可以将GeSn合金的能带结构从直接改变为间接，从而消除其增益特性
因此，主流的方法是在塑性松弛的临界厚度之上生长厚的锗氮层
然而，这导致在锗硅界面附近形成非常密集的阵列失配缺陷，这引入了对抗激光的非辐射复合过程
此外，在这些情况下，残余压缩应变仍然存在
为了补偿压缩应变的影响，锗氮激光器的大部分工作集中在锡浓度的增加上
这种方法提高了锗氮激光器的最大激射温度，但较高的锡含量会导致更多的锗氮界面缺陷，进而导致MW/cm2量级的较高激发阈值
此外，由于锡在锗中的平衡溶解度仅为1%，进一步提高锗硅合金中的锡浓度是一个很大的挑战
因此，基于生长层的锗氮激光器在材料生长和激光性能方面都存在瓶颈
顶部氮化硅应变层可调谐激光波长
(b)和(c)显示了具有圆形光栅的回音壁模式激光器的垂直重定向
荣誉:王彬彬、埃米莉·萨卡特、艾蒂安·赫思、马克西姆·格罗莫夫伊、安杰利卡·比耶拉雅克、朱利安·沙特、吉勒·帕特里夏奇、菲利普·布考德、弗雷德里克·博乌夫、尼古拉斯·保罗、文森特·卡尔沃、热雷米·克雷蒂安、马文·弗劳恩拉斯、阿列克谢·切尔诺夫、文森特·雷布德、让-米歇尔·哈特曼和穆斯塔法·埃尔·库迪 在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由巴黎萨克莱大学纳米科学和纳米技术中心的穆斯塔法·埃尔·库迪教授和法国CEA的同事领导的一个科学家团队开发了一种用于高性能GeSn激光器的绝缘体上GeSn(GeSnOI)技术
他们通过在硅片上使用键合工艺制造了锗硅氮铝叠层
然后将锗硅氮化物层构图成微盘激光腔
他们证明了这种GeSnOI技术可以同时解决晶格失配界面缺陷、压缩/拉伸应变工程、热管理和光学限制等问题
得益于这项多功能技术，他们开发了一种具有更低阈值、更高最大激光温度和更强激光强度的GeSn激光器
多功能GeSnOI平台还允许科学家为多功能平面GeSn激光器铺平道路，例如通过使用SiN应力层以及复杂的片上光波工程实现可调谐激光波长
它们确实显示了通过添加特殊设计的圆形光栅，垂直重定向来自GeSnOI圆盘谐振器的回音壁模式面内激光
(a)示意图，其中TE和TM偏振传播波的强度分布在2
4米波长
(b)已生长的锗氮层和已去除界面缺陷的锗氮的透射电镜图像
(c)基于生长层和GeSnOI平台的GeSn微盘谐振器的扫描电镜图像
(d)通过有限元建模分析了由于所采用的不同设计和工艺而导致的锗硅和锗硅微盘的面内应变变化
这里，我们绘制了相对于初始残余生长后压缩应变-0的应变
5%用于GeSn层
SiN层是用初始压缩应力计算的，该应力可以松弛，从而引起正应变变化
顶部和底部的SiN应力源允许均匀分布的拉伸应变注入到GeSnOI盘中，而不需要底切有源区
荣誉:王彬彬、埃米莉·萨卡特、艾蒂安·赫思、马克西姆·格罗莫夫伊、安杰利卡·比耶拉雅克、朱利安·沙特、吉勒·帕特里夏奇、菲利普·布考德、弗雷德里克·博乌夫、尼古拉斯·保罗、文森特·卡尔沃、热雷米·克雷蒂安、马文·弗劳恩拉斯、阿列克谢·切尔诺夫、文森特·雷布德、让-米歇尔·哈特曼和穆斯塔法·埃尔·库迪 在转移和键合工艺之后，通过简单的顶部蚀刻完全去除了锗硅氮化物叠层的锗硅氮化物-锗界面缺陷，导致更好的有源层质量和更高的光学增益
与传统的生长态锗氮方法相比，改进的增益导致基于锗氮的激光器的激光强度提高60倍，最大激射温度提高55 K，阈值降低
SiN层的低折射率在GeSn层中提供了强光学限制，而不需要对其进行底切
SiN层也用作应力层，其能够额外地将拉伸应变传递到GeSn有源腔，然后克服残余压缩应变问题
这实现了具有应变和模态管理的平面激光腔设计，而不需要底切该层，例如这里使用简单的微盘
相比之下，在传统的基于生长层的锗硅激光器中，为了处理应变和模态工程，底切是必需的，而且在这种情况下，致密的锗硅界面失配缺陷仍然存在
底切产生较低的散热效率，特别是对于减小的盘直径，这里直径小于6 m，结构太脆弱而不能提供激光
科学家利用基于GeSnOI平台的平面台面结合铝热沉，在直径小至3微米、接近激光波长2
4微米
这是迄今为止展示的最小的GeSn激光磁盘
多功能GeSnOI平台使科学家能够为多功能平面GeSn激光器铺平道路
例如，通过顶部SiN应变层的沉积和部分蚀刻，它们实现了激光波长的可控调谐
在铝圆光栅的帮助下，它们将激光发射方向从面内改变到面外
“我们的GeSnOI平台可以实现其他平面激光器配置，例如脊形法布里-珀罗波导、环形腔甚至复杂的光子晶体
该平台的另一个关键优势是它能够将无源中红外SiN组件与GeSn光电探测器和光源相结合，开发出一种C MOS兼容的全IV族集成光子电路
它代表了红外第四族光子学在2-4 m波长范围内的新范例，并缓解了在硅光子芯片上集成ⅲ-ⅴ族激光的需求
“科学家预测
“该平台与电动GeSn设备完全兼容，甚至可以提供更好的性能
我们的技术也预示着第一台室温锗氮激光器的出现，它只是简单地将锡含量提高到可利用的浓度
”他们补充道
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