當涉及微電子學時，有一種化學元素與眾不同：硅是驅(qū)動我們信息社會的晶體管技術(shù)的主要力量。我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫臒o數(shù)電子設備證明了當今如何能夠以非常低的成本生產(chǎn)大量的硅基組件。因此，自然而然地，將硅也用于半導體特性被技術(shù)開發(fā)的其他領域，并探索集成不同功能的方法。在這種情況下，人們特別感興趣的是二極管激光器，例如條形碼掃描儀或激光指示器中使用的二極管激光器，其通?；谏榛墸℅aAs）。但是不幸的是，在砷化鎵中產(chǎn)生光的物理過程在硅中不能很好地工作。因此，找到實現(xiàn)“硅激光器”的替代途徑仍然是一個杰出而長期的目標。

自半導體二極管激光器展示和硅基晶體管技術(shù)的高度普及以來，硅基激光器是硅光子學的長期目標。硅基激光器的顯著優(yōu)勢應歸功于高產(chǎn)量的制造工藝，這樣既可以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)的低成本，又可以實現(xiàn)光子集成電路的低成本光子系統(tǒng)。

不能直接將硅用于跟隨GaAs模板制造激光器的主要原因與其帶隙的不同性質(zhì)有關，這在后者中是直接的，而在前者中是間接的。簡而言之，在砷化鎵中，電子會與能帶隙中的空穴復合，從而產(chǎn)生光。在硅中，它們產(chǎn)生熱量。因此，硅中的激光作用需要另一條路徑。蘇黎世聯(lián)邦理工學院博士研究員David Stark和他的同事正在探索一種新的方法。他們致力于硅基量子級聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)。QCL的發(fā)光不是通過帶隙上的電子-空穴復合，而是通過使電子隧穿經(jīng)過精確設計的半導體結(jié)構(gòu)的重復堆疊而實現(xiàn)的，在此過程中會發(fā)射光子。

到目前為止，量子級聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)已經(jīng)在許多材料中得到了驗證。首次證明是在1994年，由當時在美國貝爾實驗室工作的Jerme Faist等人組成的團隊進行了驗證，盡管預測前景看好，但從未在基于硅的材料中得到證明。

由于在中紅外和遠紅外波長觀察到由于非極性Si / SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)的價帶躍遷，因此帶間電致發(fā)光應變結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復雜的價帶和較大的有效質(zhì)量（0.3 m0,11（其中m0是自由電子質(zhì)量）導致增益差，因此，沒有證明后續(xù)的激光作用。從理論上講，具有較低有效質(zhì)量（約0.135m0）的n型Ge / SiGe和Ge / GeSiSn材料構(gòu)型有望實現(xiàn)室溫THzQCL。高于6HzTHz的跳變應該是可及的。由于硅和鍺之間的晶格失配很大，因此在硅晶片上生長此類富鍺結(jié)構(gòu)特別具有挑戰(zhàn)性。直到最近幾年，Ge / SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)才達到了此類應用所需的質(zhì)量標準。

近日，由來自蘇黎世聯(lián)邦理工學院量子電子研究所的Giacomo Scalari教授和JérmeFaist領導的國際團隊提出了一種Ge / SiGe量子級聯(lián)設計，其中基于非平衡格林函數(shù)(NEGF)的計算可預測到室溫的增益。該設計基于采用從束縛到連續(xù)的躍遷的量子阱有源區(qū)。并且涉及總共四個子帶狀態(tài)。盡管這種設計方法對激光器具有良好的前景，但并不是開發(fā)新的太赫茲(THz)量子級聯(lián)發(fā)射器的理想選擇。斜向光學躍遷會導致發(fā)射范圍寬24和每個周期的高電壓降。

為了明確地證明Ge/SiGe量子級聯(lián)結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光，研究人員采用了GaAs / AlGaAs單量子阱（SQW）設計。預計SQW有源區(qū)不會顯示高光學增益。取而代之的是，低電流密度以及每個周期的適度能量下降會導致設備發(fā)熱降低。因此，可以減少不需要的黑體發(fā)射。垂直子帶間躍遷的窄頻譜峰應導致頻譜中的清晰特征。在這項工作中，具有相同預期發(fā)射能量的相似GaAs / AlGaAs結(jié)構(gòu)用于與Ge / SiGe結(jié)果進行定量基準比較。

▲圖1. (a)NEGF計算的目標SQW設計在22 mV /周期的導帶圖和Wannier-Stark狀態(tài)。黑色實線和灰色實線分別是L-谷和Δ2-谷中的電勢。橙色刻度表示在10 energyK時的位置和能量分辨的電流密度，積分電流密度為37 A / cm2。標稱周期長度為82.4 nm，片材摻雜密度為2.5×1010 cm-2。從注入勢壘開始，具有納米厚度的標稱層序列為4.7 / 19.9 / 3 / 13.9 / 3 / 11.6 / 3 / 3.8 / 3 / 3.8 / 3 / 9.7。Ge井為標準字體，Si0.15Ge0.85勢壘為粗體，磷摻雜層帶有下劃線。(b) 在樣本2306上圍繞非對稱Si反射獲取的相互空間圖。

(c) 比較測量的和模擬的（004）XRD搖擺曲線。為了清楚起見，對模擬曲線進行了平移。(d) SQW異質(zhì)結(jié)構(gòu)在不同放大倍數(shù)下的STEM圖像。SiGe勢壘較暗。(e) SEM圖像和Ge / SiGe叉指式衍射光柵的示意圖。示意圖顯示了單個光柵指的橫截面及其在規(guī)則生長方向上的偏置配置。如果生長方向相反，則極性切換。

▲當電子穿過Ge / SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)隧穿時，由于在輻射躍遷的較高狀態(tài)下的次優(yōu)注入，它們發(fā)出的光當前處于兩個略有不同的頻率。

該團隊設計并制造了具有由SiGe和純鍺（Ge）制成的單元結(jié)構(gòu)的設備，其高度小于100納米，重復了51次。從這些基本上以原子精度制造的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，Stark及其同事如所預測的那樣檢測到電致發(fā)光，而出射光的光譜特征與計算結(jié)果非常吻合。與按相同器件幾何形狀制造的基于GaAs的結(jié)構(gòu)進行比較，進一步確保了器件能夠按預期工作。盡管Ge / SiGe結(jié)構(gòu)的發(fā)射仍遠低于其基于GaAs的發(fā)射，但這些結(jié)果清楚地表明該團隊處于正確的軌道上。下一步將是根據(jù)該團隊開發(fā)的激光設計組裝相似的Ge / SiGe結(jié)構(gòu)。最終目標是使硅質(zhì)QCL在室溫下工作。

這樣的成就在幾個方面都將是重要的。最終，它不僅會在硅基板上實現(xiàn)激光，從而促進了硅光子學的發(fā)展。由Stark等人創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)的發(fā)射。在太赫茲地區(qū)，目前缺少緊湊型光源。基于硅的QCL具有潛在的多功能性并降低了制造成本，對于從醫(yī)學成像到無線通信的現(xiàn)有和新應用領域中的太赫茲輻射的大規(guī)模使用而言，這可能是一個福音。

該研究成果于3月8日發(fā)表在《AIP應用物理快報》上。

本文來源：David Stark et al, THz intersubband electroluminescence from n-type Ge/SiGe quantum cascade structures, Applied Physics Letters (2021). DOI: 10.1063/5.0041327