基于石墨烯电极的硅基锗锡合金激光器基础研究

Silicon photonics is of significant application value to realize high speed, high integration level and low cost optical electronic integrated chip, because it perfectly combines the optical interconnection with the existing CMOS process. However, the development of Si photonics is limited to the blank of light source. Now, Si-based GeSn material is one of the most promising candidate to solve this problem. This project comes up with a novel laser structure using graphene electrode. This structure can decrease thermal damage under a large current injection due to high thermal conductivity and carrier mobility of graphene. In addition the efficiency of carrier injection can be improved by using the difference of work function between graphene and GeSn. Furthermore, a dielectric reflection film works as the optical resonant cavity, according to which the difficulty in material epitaxy can be decreased. This project presents an efficient technological approach to realize the design and fabrication of Si based GeSn laser.

硅基光电子学完美地将光互连技术与成熟的微电子工艺相结合，对未来高速、高集成度、低成本光子集成芯片的实现具有重要的应用价值。然而硅基光源的缺失已成为制约硅基光子学发展的主要瓶颈，利用能带调控硅基GeSn材料是目前最有希望实现硅基光源的途径之一。项目针对硅基GeSn电泵浦激光器实现中的热损伤严重、载流子注入效率低、材料质量要求严苛等难点问题，创新性的提出了一种基于石墨烯电极材料的新型激光器结构。该结构利用石墨烯材料热导率高、载流子迁移率高等优点，可有效降低器件在大电流注入情况下的热损伤；利用石墨烯和GeSn材料功函数差，可提高载流子注入效率；同时利用石墨烯上沉积介质反射层作为激光器的光学谐振腔，降低了有源区材料的制备难度。项目为硅基GeSn激光器的实现提供了一种有效的技术途径。

硅基光电子学完美地将光互连技术与成熟的微电子工艺相结合，对未来高速、高集成度、低成本光子集成芯片的实现具有重要的应用价值。本项目主要针对硅基光源这一制约硅基光子学进一步发展的瓶颈问题展开研究。利用能带调控的硅基锗锡合金材料做为有源层材料，利用石墨烯作为透明电极实现载流子注入，利用沉积特殊设计的周期性介质膜与衬底材料形成光学谐振腔，最终目标是实现锗锡合金的电注入激光器。在研究过程中，先后完成了利用MBE方法外延出室温PL峰位于2200nm的锗锡薄膜材料，根据这一条件生长的多量子阱结构能够实现室温下的电注入发光器件。很遗憾的是，由于MBE外延材料质量有待进一步提高，器件并未观测到激射现象。本项目的研究为硅基锗锡合金激光器的实现提供了一种有效的技术路线。