sponsored links

基於應變鍺微橋的發射探測晶片

基於應變鍺微橋的發射探測晶片

圖1 基於應變鍺微橋的發射探測器件示意圖

1. 導讀

隨著矽基光波導、光開關、調製器以及探測器的實現,距離完全的矽基光電整合只差矽基光源這最後一塊拼圖。III-V族材料由於其直接帶隙的特點,具有較大的光增益,基於矽基平臺進行異質整合,在大範圍可調諧、低噪聲和窄線寬鐳射器方面取得了很大進展。然而,電驅動的IV族鐳射器具有更好的CMOS相容性,因此依然是矽基光子學領域長期的追求。利用n型重摻雜、合金化、引入應變等方法,鍺材料已經可以實現高效的直接帶隙發光。但是目前大多數的研究結果依然停留在光碟機動和低溫試驗的層面。此外,在器件結構方面,設計波導以及光柵,構建諧振腔,並與其它器件進行片上互連,這也是十分必要的。

針對這些問題,近日華中科技大學孫軍強教授團隊在Nanophotonics發表最新文章,提出了一種基於應變鍺微橋的發射探測晶片,利用微橋結構引入高度的單軸張應變,減小鍺材料G谷和L谷的帶隙之差,結合橫向p-i-n結,實現增強的電致發光。此外,在光發射器後級聯一個反向偏置的p-i-n結,構建了一個單片整合的光探測器(見圖1)。透過合理的應變管理,用於光探測的微橋可以具有與用於光發射的微橋相同的能帶結構,從而使片上光探測器的工作波長與光發射器匹配。

團隊設計了一套完整的應變微橋器件的工藝實現流程。利用片上整合的光探測器對光發射器的輸出進行監測,研究了應變和溫度對於光發射器輸出的影響。上述研究結果為應變鍺光源的單片整合提供了一種可行的方案。

2. 研究背景

鍺與矽同屬IV族材料,在矽基平臺上具有很好的相容特性。儘管鍺也是間接帶隙材料,但是其位於G谷和L谷的帶隙之差僅為140 meV,利用能帶工程的技術,可以縮小該帶隙差,甚至將鍺轉變為直接帶隙材料,從而改善其發光特性。因此,有望利用鍺材料實現CMOS相容的矽基鐳射器。目前,實現鍺鐳射器的能帶工程技術主要包括n型重摻雜、鍺錫合金、應變技術、六方鍺等。在低溫條件下的光致發光測試中,研究人員證明了在直接帶隙的鍺材料中可以實現鐳射。儘管這些結果是IV族鐳射器研究中的重要進展,但是面對實際應用的需求,目前的鍺鐳射器缺少有效的電注入以及高Q諧振腔等結構。

3. 創新研究

針對上述問題,研究團隊從微橋結構引入單軸張應變出發,設計了一種光發射器和光探測器單片整合的結構。該結構具有一對懸空鍺微橋,由波導連線,一端用於光發射而另一端用於光探測。微橋區域設計有橫向p-i-n結,用於實現電注入。光柵結構用於構建諧振腔及垂直耦合。首先,團隊研究了器件製作的工藝流程。鍺外延層採用了兩步生長技術,從而獲得較高的晶體質量和分佈均勻的張應變,如圖2所示。測得的的位錯密度為~2×107cm-2。器件的製作採用了電子束曝光、紫外光刻、ICP刻蝕、PECVD、電子束蒸發、離子注入、溼法腐蝕等技術,如圖3所示。圖4為樣品的掃描電鏡(SEM)影象。圖4(a)-(c)分別為器件整體檢視、聚焦DBR光柵、光柵耦合器和表面DBR光柵。

基於應變鍺微橋的發射探測晶片

圖2 Ge-on-SOI外延流程示意圖

基於應變鍺微橋的發射探測晶片

圖3 基於應變鍺微橋的發射探測器件製作工藝流程圖

基於應變鍺微橋的發射探測晶片

圖4 基於應變鍺微橋的發射探測器件的掃描電鏡(SEM)圖

團隊利用該器件,研究了應變和溫度對應變鍺微橋電致發光特性的影響。分別對懸空和未懸空器件進行了測試,結果表明,微橋中單軸張應變為2.6%時,探測端的輸出結果相比原生鍺增大36倍,如圖5所示,大於模擬得到的自發輻射積分的7倍的增強。這不僅表明了應變對鍺直接帶隙發光的增強,還說明了帶隙收縮導致的譜線紅移使得應變鍺有源器件工作在原生鍺波導的低損耗視窗。

基於應變鍺微橋的發射探測晶片

圖5 懸空和未懸空器件探測端輸出的對比

室溫下對應於單軸張應變為1.6%和2.6%的微橋的應變增強因子分別為7.6和12.4。在不同溫度下的探測端輸出隨注入載流子濃度變化的實驗結果如圖6(a)和6(b)所示。對於應變增強因子為7.6的微橋,探測端輸出隨溫度的增加而增加,而在應變增強因子為12.4時,探測端輸出在溫度變化時保持一致。

主要有兩種機制影響了器件的溫度特性。首先,如圖6(c)所示,隨著溫度的升高,由於費米分佈熱展寬的影響,電子從L谷的較低能態提升到G谷中。但從鍺微橋結構的應變性質的角度來看,材料中的熱應力將隨溫度的升高而減小,集中在微橋中的單軸張應變的變化趨勢也是如此。因此,隨著溫度的升高,鍺的G點帶邊和L點帶邊之差進一步增大,導致G谷中電子佔比減少。

對於應變增強因子為7.6的弱應變結構,應變變化相對較小。因此,電子熱化主導了器件的效能,如圖6(d)所示,提高了G帶中的電子佔比,從而促進了自發發射。

對於應變增強因子為12.4的高應變結構,溫度增加導致了相當大的應變減小,使G帶與L帶帶邊之差增大,導致G帶電子填充減少,這能夠抵消熱化電子往G帶填充的效應,如圖6(d)中的綠線所示,在室溫附近形成電子分佈平衡,從而器件探測端輸出隨著溫度變化保持穩定。

基於應變鍺微橋的發射探測晶片

圖6 不同應變值下探測端輸出隨溫度變化趨勢對比及分析

4. 應用與展望

研究團隊展示了基於高度張應變鍺微橋的光發射器和探測器的單片整合。透過精心設計的工藝流程和器件結構,發射端和探測端具有相同的應變值,從而使得吸收和發射光譜之間相互匹配。此外,應變不僅會增強自發發射,還會帶來光譜紅移效應,使器件工作波長超出原生鍺的波導的吸收範圍,有利於片上光的傳播。溫度相關性試驗表明,在弱應變器件中,電子熱化將促進自發發射,而隨著溫度升高而減小的應變將抵消其在高應變器件中的影響。透過適當的應變管理,可以實現低損耗和具有溫度穩定性的器件。該器件除用於片上光發射器監測外,透過與調製器、開關、複用器和解複用器等其他光子器件相結合,可實現基於鍺矽平臺的光子積體電路,具有廣闊的應用前景。

該研究成果以“Monolithic integrated emitting-detecting configuration based on strained Ge microbridge”為題線上發表在Nanophotonics。

分類: 科學
時間: 2021-10-01

相關文章

特工秘密武器高標HD-MS微聲手槍,為何現役軍人不能使用?

特工秘密武器高標HD-MS微聲手槍,為何現役軍人不能使用?
今天要講的是二戰中美國戰略情報局(OSS)使用的特種微聲手槍--高標HD-MS微聲手槍.最初這是一支不帶消音器,採用普通槍管的.22LR小口徑民用手槍,因為種種機緣巧合,意外地稱為特工專用武器. 高標 ...

多家國產安防晶片廠商業績飆漲,老賽道下的新機遇
安防是國產晶片快速崛起的一個領域,也可能是目前晶片國產化最為徹底的領域之一,基本上可以覆蓋高中低端不同應用需求.而論及發展的動因,既有主動,也有被動. "主動"的出發點不必多言,如 ...

PinePhone鍵盤儘管速度較慢,卻使迷你電腦成本更低了

PinePhone鍵盤儘管速度較慢,卻使迷你電腦成本更低了
文章來源:PinePhone鍵盤儘管速度較慢,卻使迷你電腦成本更低了 - CNX SOFTWARE中文站-嵌入式開發者的知識庫! Pine64 PinePhone是一款深受開發者和Linux社群愛好者 ...

首席玩家六邊形戰士750W電源實物圖賞:鉑金認證的SFX小鋼炮

首席玩家六邊形戰士750W電源實物圖賞:鉑金認證的SFX小鋼炮
在網路中所謂的"六邊形戰士"指的是可以在相應領域內做到"面面俱全,各項皆優"的人或物,以PC電源來說那就是在體積.功率.效能.散熱.噪音等多方面都有優秀表現的產 ...

入門新生軍,九州風神PM500D金牌電源拆解評測

入門新生軍,九州風神PM500D金牌電源拆解評測
相信這段時間經歷過某些事情之後,全網對於入門級的電源質量也重新關注了起來.就在不久之前九州風神推出了全新的入門級金牌電源-PM500D以及PM600D,作為一款入門級電源在價格方面非常有衝擊力,本人用 ...

Intel挖走兩名AMD資深高管:為遊戲顯示卡拼了

Intel挖走兩名AMD資深高管:為遊戲顯示卡拼了
在x86 CPU之外,Intel今年也正式公佈了旗下的高效能顯示卡路線圖,全新Xe架構已經用於11代酷睿核顯,桌面遊戲顯示卡明年初問世,加速顯示卡很快也會問世,並用於百億億次超算上. 在遊戲顯示卡市場 ...

Docker終失C位,開源少年緣何黑化

Docker終失C位,開源少年緣何黑化
作者 | 馬超 出品 | CSDN(ID:CSDNnews) 開源真是火了,近些年成功的IT專案像TensorFlow.RocketMQ.TDEngine都是開源專案,而且這種火爆還出了圈,連帶著RI ...

七彩虹 CVN B560I GAMING 搭 聯力 Q58 ITX 平臺 裝機展示

七彩虹 CVN B560I GAMING 搭 聯力 Q58 ITX 平臺 裝機展示
前言廢話: 港真!對於七彩虹的主機板,在這之前完全沒有接觸過,熟悉把玩過也就是他們家的顯示卡了,目前的品質及外觀設計方面,貌似在國內玩家心中的認可度都還蠻高的,可以說並不遜色於臺系廠商吧,這幾年更是著 ...

RK3399助力商顯產業|高畫質細緻,靈敏迅捷

RK3399助力商顯產業|高畫質細緻,靈敏迅捷
在數字化及資訊科技蓬勃發展的環境下,戶外資訊傳播顯得尤為重要,商顯產業迎來爆發式發展的機遇,在教育.視窗業務辦理.餐飲及零售等場景起到關鍵性的引導作用.明遠智睿高效能RK3399-EK314開發板,助 ...

走進神奇的實驗室⑥|“透視”穿牆、6G通訊,一顆晶片開啟未來非科幻世界

走進神奇的實驗室⑥|“透視”穿牆、6G通訊,一顆晶片開啟未來非科幻世界
來源:四川日報-川觀新聞 川觀新聞記者 張紅霞 製圖 甘翠 一臺白色顯微鏡下,一顆顆金色的晶片"顯"在黑底白線的方格,同時也投影在上方的螢幕上. "這是在對850吉赫太赫 ...

拆解報告:雷柏VM700S藍芽遊戲耳機

拆解報告:雷柏VM700S藍芽遊戲耳機
雷柏是一家知名的電腦外設品牌,公司以"無線化"為使命,近年來其業務範圍不斷向無線影音.智慧穿戴等應用方向拓展,推出過多款TWS真無線耳機.脖掛式藍芽無線耳機.頭戴式藍芽無線耳機以及 ...

龍頭股!7個行業最新最全名單

龍頭股!7個行業最新最全名單
游龍針對以下這7個行業,整理出來的2021年最全龍頭股名單. 點個關注,有需要的時候,可以來翻翻 龍頭老大 一.醫療龍頭股 (一)醫療領域各類細分龍頭 1. [醫療器械龍頭]魚躍醫療 2 [體外診斷醫 ...

2021年10月手機選購|4500-5500元|價效比|旗艦高階|主力用機

2021年10月手機選購|4500-5500元|價效比|旗艦高階|主力用機
選機前言 今天寫的4500-5500,這個基本都是旗艦級高階系列的區間.到了這個區間,很多時候會有考慮是添1000-2000就可以換蘋果了.我要買國產高階旗艦嗎?我覺得這個得參考個人,我主機用蘋果,不 ...

廣東人好評的幾款手機,外地人還不瞭解,為何被稱為“真香機

廣東人好評的幾款手機,外地人還不瞭解,為何被稱為“真香機
提起廣東,大家腦海裡會浮現什麼?是極具特色的美食,還是精明能幹的本地人?為了讓大家充分了解包括筆者在內的廣東人喜好,下面就給大家來推薦幾款喜提廣東人好評的幾款手機. 一.小米11Pro 毋庸置疑,小米 ...

智慧家居時代,科沃斯掃地機器人掃地小能手
在這個科技全面發展的時代,"智慧"早已不是一個新鮮詞.跟隨著智慧數碼產品.智慧家電的發展,智慧家居也已經從曾經的概念變成了現實,正在一步步改變著我們傳統的生活方式.不過對我們普通消 ...

打破晶片壟斷、研製抗癌藥物!華中科技大學狂攬7項大獎,位居高校第一!

打破晶片壟斷、研製抗癌藥物!華中科技大學狂攬7項大獎,位居高校第一!
日前,2021年中國青年創新創業交流營暨第八屆"創青春"中國青年創新創業大賽(科技創新專項)在湖北武漢成功舉辦.華中科技大學7支團隊,經過激烈角逐,從4500餘支團隊中脫穎而出,闖 ...

我國計劃今年發射首顆太陽探測衛星,NSFC​對結餘資金不再執行兩年收回政策 | 一週科技導讀

我國計劃今年發射首顆太陽探測衛星,NSFC​對結餘資金不再執行兩年收回政策 | 一週科技導讀
來源:科技日報.中國科學報.環球科學.科研圈.丁香學術.新華社等 利用iPS技術重程式設計再生心肌細胞修復受損心臟 來源:Science 9月24日,發表於<科學>(Science)的一項 ...

我國10月將發射首顆太陽探測衛星
據央視軍事微博訊息,第13屆中國航展首次展示了我國首顆太陽探測科學技術試驗衛星.這顆衛星計劃在10月中旬擇機發射,將執行在距離地球517公里的太陽同步軌道,透過攜帶的太陽空間望遠鏡進行觀測,在太陽物理 ...

一起期待!我國今年計劃發射首顆太陽探測衛星

一起期待!我國今年計劃發射首顆太陽探測衛星
在第十三屆中國航展上,中國航天科技集團八院展出了中國首顆太陽探測科學技術試驗衛星模型.衛星計劃今年發射,作為我國首顆太陽探測衛星,它的發射成功將標誌中國將進入探日時代.(新華社) 來源: 人民網