为硅集成开发的电泵流连续波半导体激光器

来自德国尤里希研究中心、斯图加特大学和莱布尼茨高性能微电子研究所（IHP）的科学家们与法国合作伙伴CEA-Leti共同开发出了一种电泵浦连续波半导体激光器，该激光器完全由元素周期表中的第四族元素——“硅族”组成。

这种新型激光器由硅锗锡和锗锡的超薄层堆叠而成，据说是第一种直接在硅晶片上生长的激光器，为片上集成光子学开辟了新的可能性。该研究成果发表在近期出版的《自然通讯》专业期刊上。

完全由第IV组元素产生的新型激光器

开发人员评论说，这一发展指向未来以低成本光子集成电路为特色的微芯片，可显著节约成本并提高性能。近年来，在硅芯片上单片集成光学有源元件取得了重大进展。包括高性能调制器、光电探测器和波导在内的关键元件已经研制成功。然而，一个长期存在的挑战是缺乏仅使用第IV族半导体的高效电泵光源。

无缝集成
迄今为止，此类光源一直依赖于III-V材料，而这种材料很难与硅集成，因此成本高昂。新型激光器弥补了这一不足，使其与用于芯片制造的传统CMOS技术兼容，并适合与现有的硅制造工艺无缝集成。因此，它可以被视为硅光子学工具箱中的“最后一块缺失”。

尤利希彼得-格伦贝格半导体纳米电子学研究所的Dan Buca博士评论说：近十年来，我们一直在探索锗锡合金的迷人可能性。开发高效的电泵浦激光器一直是我们的主要目标之一。这一突破进一步证明了锗锡合金在不同应用领域的巨大潜力，在这一特定案例中就是光子应用领域。

新型激光器的扫描电子显微镜和示意图

与以往依赖高能光学泵浦的锗锡激光器不同，这种新型激光器在2V电压下只需注入5mA的低电流即可工作，与发光二极管的能耗相当。该激光器采用先进的多量子阱结构和环形几何形状，最大限度地降低了功耗和发热量，可在90K或零下183.15 °C的温度下稳定工作。

它是在标准硅晶圆（如硅晶体管所用的硅晶圆）上生长出来的，代表了第一台真正可用的第四组激光器，不过还需要进一步优化，以进一步降低激光阈值并实现室温操作。不过，早期的光泵浦锗锡激光器在短短几年内就从低温运行发展到了室温运行，其成功表明了一条清晰的前进道路。

光泵浦激光器需要外部光源来产生激光，而电泵浦激光器则是电流通过二极管时产生光。电泵浦激光器通常能效更高，因为它们能直接将电流转化为激光。

由尤利希研究中心PGI-9的Buca博士领导的研究小组与国际水文计划、斯图加特大学、CEA-Leti、C2N-巴黎南大学和米兰理工大学等合作伙伴合作，多年来一直致力于锡基第四组合金的研究。他们已经展示了在光子学、电子学、热电和自旋电子学领域的应用潜力。有了这一新成果，硅光子技术为下一代微芯片提供一体化解决方案的愿景就指日可待了。