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。
圖2 Ge-on-SOI外延流程示意圖
圖3 基於應變鍺微橋的發射探測器件製作工藝流程圖
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。
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。
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。
