[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种直接释放在硅衬底上的无应变GeSn微盘激光器，通过实现有效的应变松弛和增强的热管理，其性能优于悬挂式器件。该方法使阈值降低30%，工作温度提升约40 K，推动了在硅平台上实现室温GeSn激光器的进展。

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.

研究动机与目标

• 为克服悬挂式GeSn微盘激光器的热限制，开发一种新型器件结构。
• 在不损害光学限制或热管理的前提下，实现GeSn中的应变松弛。
• 通过将GeSn微盘直接释放到硅衬底上，展示改进的激光性能。
• 实现CMOS兼容的IV族激光器更高的工作温度和更低的阈值。
• 为在硅基板上实现实用化的室温GeSn激光器奠定基础。

提出的方法

• 在硅衬底上外延生长GeSn外延层，并选择性刻蚀成微盘腔。
• 采用转移工艺将GeSn微盘完全从外延衬底上释放，并转移至硅支撑衬底上。
• 将释放后的微盘键合至硅衬底，以实现高效的热传导。
• 通过折射率对比计算，进行光学模拟以评估模式限制性能。
• 进行热模拟，比较释放器件与悬挂器件在光学泵浦下的温升情况。
• 在低温条件下实验测量激光特性，以评估阈值和温度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 直接将GeSn微盘释放在硅衬底上，是否能实现优于悬挂器件的热管理？
• RQ2 尽管折射率对比度较低，释放器件的配置是否仍能保持足够的光学限制？
• RQ3 在释放的GeSn微盘中，应变松弛在多大程度上改善了激光性能？
• RQ4 在相同泵浦条件下，释放器件的GeSn激光器工作温度与悬挂器件相比如何？
• RQ5 该释放器件结构是否能显著降低激光阈值？

主要发现

• 直接释放在硅衬底上的无应变GeSn微盘激光器，其激光阈值相比悬挂器件降低了30%。
• 与悬挂器件相比，释放器件的工作温度提高了约40 K。
• 热模拟显示，释放器件的温升可忽略不计，而悬挂器件在75 K基底温度下温升最高可达120 K。
• 光学模拟证实，GeSn与Si之间的折射率对比度可实现比空气悬挂腔更好的光学限制性能。
• 该器件结构成功实现了压缩应变的松弛，同时保持了有效的热传导，克服了悬挂结构的关键限制。
• 结果表明，该方法为在硅基板上实现GeSn激光器的室温工作提供了可行路径。