[論文レビュー] Enhanced GeSn Microdisk Lasers Directly Released on Si

Youngmin Kim, Simone Assali+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2021

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、シリコン基板上に直接リリースされた歪みのないGeSnマイクロディスクレーザーを提案し、有効な歪み緩和と向上した熱管理を可能にすることで、浮上型デバイスを上回る優れた性能を達成した。このアプローチにより、レーザー閾値が30%低下し、動作温度が約40 K上昇し、シリコン基板上での室温動作GeSnレーザーの実現に前進した。

ABSTRACT

GeSn alloys are promising candidates for complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)-compatible, tunable lasers. Relaxation of residual compressive strain in epitaxial GeSn has recently shown promise in improving the lasing performance. However, the suspended device configuration that has thus far been introduced to relax the strain is destined to limit heat dissipation, thus hindering the device performance. Herein, we demonstrate that strain-free GeSn microdisk laser devices fully released on Si outperform the canonical suspended devices. This approach allows to simultaneously relax the limiting compressive strain while offering excellent thermal conduction. Optical simulations confirm that, despite a relatively small refractive index contrast between GeSn and Si, optical confinement in strain-free GeSn optical cavities on Si is superior to that in conventional strain-free GeSn cavities suspended in the air. Moreover, thermal simulations indicate a negligible temperature increase in our device. Conversely, the temperature in the suspended devices increases substantially reaching, for instance, 120 K at a base temperature of 75 K under the employed optical pumping conditions. Such improvements enable increasing the operation temperature by ~40 K and reducing the lasing threshold by 30%. This approach lays the groundwork to implement new designs in the quest for room temperature GeSn lasers on Si.

研究の動機と目的

• 浮上型GeSnマイクロディスクレーザーの熱的制限を克服するため、新しいデバイスアーキテクチャを開発すること。
• 光学的閉じ込め性能や熱管理を損なわず、GeSnにおける歪み緩和を実現すること。
• GeSnマイクロディスクをシリコン基板上に直接リリースすることで、向上したレーザー性能を実証すること。
• CMOS準拠のIV族半導体レーザーのため、より高い動作温度とより低いレーザー閾値を達成すること。
• シリコン基板上での実用的室温動作GeSnレーザーの基盤を築くこと。

提案手法

• GeSnエpitaxial層をシリコン基板上に成長させ、選択的エッチングによりマイクロディスクキャビティに加工した。
• トランスファープロセスを用いて、成長基板からGeSnマイクロディスクを完全にリリースし、シリコンハンドルウェーパーに転写した。
• リリースされたマイクロディスクをシリコン基板にボンディングすることで、効率的な熱伝導を実現した。
• GeSnとSi間の屈折率対比を用いたモード閉じ込めの評価を光学的シミュレーションで行った。
• レーザー駆動時の温度上昇を比較するために、リリース済みと浮上型デバイスの間で熱的シミュレーションを実施した。
• 低温条件下での実験的測定により、閾値と温度依存性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GeSnマイクロディスクをシリコン基板上に直接リリースすることで、浮上型デバイスに比べてより優れた熱管理が達成できるか？
• RQ2 低屈折率対比であるにもかかわらず、リリースされたデバイス構成が十分な光学的閉じ込めを維持できるか？
• RQ3 リリースされたGeSnマイクロディスクにおける歪み緩和が、レーザー性能にどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ4 同一の駆動条件下で、リリースされたGeSnレーザーの動作温度は浮上型デバイスと比べてどの程度異なるか？
• RQ5 リリースされたデバイスアーキテクチャが、レーザー閾値の顕著な低減を可能にするか？

主な発見

• シリコン基板上に直接リリースされた歪みのないGeSnマイクロディスクレーザーは、浮上型デバイスと比較して30%低いレーザー閾値を示した。
• リリースされたデバイスの動作温度は、浮上型デバイスと比較して約40 K向上した。
• 熱的シミュレーションでは、リリースされたデバイスでは温度上昇が無視できるほど小さく、一方浮上型デバイスは75 Kのベース温度下で最大120 Kの温度上昇を示した。
• 光学的シミュレーションにより、GeSnとSi間の屈折率対比が、空気浮上キャビティと比較してリリースされたデバイスにおいて優れた光学的閉じ込めを実現していることが確認された。
• デバイスアーキテクチャは、圧縮歪みを効果的に緩和するとともに、効果的な熱伝導を維持しており、浮上型設計の主な制限要因を克服した。
• 結果として、シリコン基板上での室温動作GeSnレーザー実現への実現可能性のある道筋が示された。