Direct Bandgap Group IV Epitaxy on Si for Laser Applications

材料科学 激光阈值 光电子学 带隙 直接和间接带隙 外延 光致发光 激光器 化学气相沉积 兴奋剂 光学 纳米技术 波长 物理 图层(电子)
作者
Nils von den Driesch,Daniela Stange,S. Wirths,Gregor Mußler,B. Holländer,Z. Ikonić,Jean‐Michel Hartmann,T. Stoïca,S. Mantl,Detlev Grützmacher,Dan Buca
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:27 (13): 4693-4702 被引量:150
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.5b01327
摘要

The recent observation of a fundamental direct bandgap for GeSn group IV alloys and the demonstration of low temperature lasing provide new perspectives on the fabrication of Si photonic circuits. This work addresses the progress in GeSn alloy epitaxy aiming at room temperature GeSn lasing. Chemical vapor deposition of direct bandgap GeSn alloys with a high Γ- to L-valley energy separation and large thicknesses for efficient optical mode confinement is presented and discussed. Up to 1 μm thick GeSn layers with Sn contents up to 14 at. % were grown on thick relaxed Ge buffers, using Ge<inf>2</inf>H<inf>6</inf> and SnCl<inf>4</inf> precursors. Strong strain relaxation (up to 81%) at 12.5 at. % Sn concentration, translating into an increased separation between Γ- and L-valleys of about 60 meV, have been obtained without crystalline structure degradation, as revealed by Rutherford backscattering spectroscopy/ion channeling and transmission electron microscopy. Room temperature reflectance and photoluminescence measurements were performed to probe the optical properties of these alloys. The emission/absorption limit of GeSn alloys can be extended up to 3.5 μm (0.35 eV), making those alloys ideal candidates for optoelectronics in the mid-infrared region. Theoretical net gain calculations indicate that large room temperature laser gains should be reachable even without additional doping. (Figure Presented).
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