硅上制造激光器有新方法！科学家让硅锗半导体结构产生了电光
- 2021/3/17 15:06:38 23726
- 来源：贤集网
【仪表网 仪表研发】近日，苏黎世—位于苏黎世联邦理工学院量子电子研究所的研究团队让硅锗(SiGe)半导体结构产生了电光。这种材料与标准的硅器件制造工艺兼容，这就为在硅上制造激光器提供了一种潜在的替代方法。
具体地说，这种进步可以抵消在砷化镓(GaAs)中产生光的物理过程，而二极管激光器(通常在条形码扫描仪和激光指示器中经常使用)是基于该过程的，这些物理过程对硅的适应性不是很高。
该电贾科莫·斯卡拉里(Giacomo Scalari)和杰罗姆·法斯特(JérômeFaist)团队的成就达到了太赫兹范围。该频段位于微波电子设备和红外光学器件之间，适用于从光谱学到QCL激光，光电检测和datacom / telecom的各种应用。
硅无法直接用于基于GaAs平台的激光器的构造的主要原因涉及材料带隙的不同性质。GaAs表现出直接的带隙结构，而硅的带隙则被称为间接带隙。GaAs电子与带隙中的空穴复合以产生光，而在硅中则产生热量。
当电子穿过Ge / SiGe异质结构隧穿时，由于在辐射跃迁的较高状态下次优注入，它们发出的光当前处于两个略有不同的频率。由苏黎世联邦理工学院/ David Stark提供。
为了克服这一限制，以大卫·史塔克(David Stark)为首的以太坊研究人员启动了基于硅的量子级联激光器(QCL)的开发。这种类型的激光通过允许电子穿过半导体结构的堆叠而不是通过带隙平面上的电子-空穴复合来发射光。
生长非常高质量的半导体材料是使用硅基底实现功能性QCL的一种必要条件。将它们表征和制造为器件是单独的步骤。欧盟委员会为跨学科项目提供资金，该项目涉及来自罗马大学(UniversitàRoma Tre)(意大利，负责半导体材料的生长)，Leibniz-InstitutfürInnovative Mikroelektronik(德国，负责半导体材料的表征)和格拉斯哥大学(苏格兰，负责将特征化的半导体材料制成器件。
ETH组(Scalari和Faist)正在执行设备测量，并负责设计激光器。德国半导体纳米器件软件公司nextnano以及比萨和罗马的大学正在为苏黎世联邦理工学院的研究人员提供支持。
苏黎世联邦理工学院小组设计和制造了具有硅锗(SiGe)和纯锗(Ge)单元结构的设备。该结构的高度小于100nm，重复51次。斯塔克和他的同事使用了预测的设计异质结构检测到的电致发光。他们说，所产生的光的光谱特征与他们的计算相符。此外，当研究人员将它们的结构与采用相同器件几何形状制造的基于GaAs的结构进行比较时，新器件的功能相似。研究人员说，尽管如此，Ge / SiGe的发射仍然明显低于GaAs基的发射。
Ge / SiGe异质结构之一，在不同的放大倍数下。SiGe层显得较暗。由De Seta Group的罗马特雷大学(UniversitàRoma Tre)提供。
下一步将涉及组装类似的Ge / SiGe结构，这些结构精确地针对了该组激光器设计的规格。
根据苏黎世联邦理工学院的一份新闻稿，基于硅的QCL在室温下运行是设计和开发过程中现阶段的目标。但是，鉴于新的基于硅的结构的发射处于太赫兹区，在室温下的工作将是很重要的。太赫兹区是一个需要紧凑而实用的光源，目前几乎不存在的波段。
硅基QCL具有潜在的多功能性并降低了制造成本，因此可以在现有和新的应用领域中大规模使用太赫兹辐射。这些跨越医学成像和无线通信。
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