当涉及微电子学时，有一种化学元素与众不同：硅是驱动我们信息社会的晶体管技术的主要力量。我们日常生活中使用的无数电子设备证明了当今如何能够以非常低的成本生产大量的硅基组件。因此，自然而然地，将硅也用于半导体特性被技术开发的其他领域，并探索集成不同功能的方法。在这种情况下，人们特别感兴趣的是二极管激光器，例如条形码扫描仪或激光指示器中使用的二极管激光器，其通常基于砷化镓（GaAs）。但是不幸的是，在砷化镓中产生光的物理过程在硅中不能很好地工作。因此，找到实现“硅激光器”的替代途径仍然是一个杰出而长期的目标。

自半导体二极管激光器展示和硅基晶体管技术的高度普及以来，硅基激光器是硅光子学的长期目标。硅基激光器的显著优势应归功于高产量的制造工艺，这样既可以实现大批量生产的低成本，又可以实现光子集成电路的低成本光子系统。

不能直接将硅用于跟随GaAs模板制造激光器的主要原因与其带隙的不同性质有关，这在后者中是直接的，而在前者中是间接的。简而言之，在砷化镓中，电子会与能带隙中的空穴复合，从而产生光。在硅中，它们产生热量。因此，硅中的激光作用需要另一条路径。苏黎世联邦理工学院博士研究员David Stark和他的同事正在探索一种新的方法。他们致力于硅基量子级联激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)。QCL的发光不是通过带隙上的电子-空穴复合，而是通过使电子隧穿经过精确设计的半导体结构的重复堆叠而实现的，在此过程中会发射光子。

到目前为止，量子级联激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)已经在许多材料中得到了验证。首次证明是在1994年，由当时在美国贝尔实验室工作的Jerme Faist等人组成的团队进行了验证，尽管预测前景看好，但从未在基于硅的材料中得到证明。

由于在中红外和远红外波长观察到由于非极性Si / SiGe异质结构的价带跃迁，因此带间电致发光应变结构产生复杂的价带和较大的有效质量（0.3 m0,11（其中m0是自由电子质量）导致增益差，因此，没有证明后续的激光作用。从理论上讲，具有较低有效质量（约0.135m0）的n型Ge / SiGe和Ge / GeSiSn材料构型有望实现室温THzQCL。高于6HzTHz的跳变应该是可及的。由于硅和锗之间的晶格失配很大，因此在硅晶片上生长此类富锗结构特别具有挑战性。直到最近几年，Ge / SiGe异质结构才达到了此类应用所需的质量标准。

近日，由来自苏黎世联邦理工学院量子电子研究所的Giacomo Scalari教授和JérmeFaist领导的国际团队提出了一种Ge / SiGe量子级联设计，其中基于非平衡格林函数(NEGF)的计算可预测到室温的增益。该设计基于采用从束缚到连续的跃迁的量子阱有源区。并且涉及总共四个子带状态。尽管这种设计方法对激光器具有良好的前景，但并不是开发新的太赫兹(THz)量子级联发射器的理想选择。斜向光学跃迁会导致发射范围宽24和每个周期的高电压降。

为了明确地证明Ge/SiGe量子级联结构的电致发光，研究人员采用了GaAs / AlGaAs单量子阱（SQW）设计。预计SQW有源区不会显示高光学增益。取而代之的是，低电流密度以及每个周期的适度能量下降会导致设备发热降低。因此，可以减少不需要的黑体发射。垂直子带间跃迁的窄频谱峰应导致频谱中的清晰特征。在这项工作中，具有相同预期发射能量的相似GaAs / AlGaAs结构用于与Ge / SiGe结果进行定量基准比较。

▲图1. (a)NEGF计算的目标SQW设计在22 mV /周期的导带图和Wannier-Stark状态。黑色实线和灰色实线分别是L-谷和Δ2-谷中的电势。橙色刻度表示在10 energyK时的位置和能量分辨的电流密度，积分电流密度为37 A / cm2。标称周期长度为82.4 nm，片材掺杂密度为2.5×1010 cm-2。从注入势垒开始，具有纳米厚度的标称层序列为4.7 / 19.9 / 3 / 13.9 / 3 / 11.6 / 3 / 3.8 / 3 / 3.8 / 3 / 9.7。Ge井为标准字体，Si0.15Ge0.85势垒为粗体，磷掺杂层带有下划线。(b) 在样本2306上围绕非对称Si反射获取的相互空间图。

(c) 比较测量的和模拟的（004）XRD摇摆曲线。为了清楚起见，对模拟曲线进行了平移。(d) SQW异质结构在不同放大倍数下的STEM图像。SiGe势垒较暗。(e) SEM图像和Ge / SiGe叉指式衍射光栅的示意图。示意图显示了单个光栅指的横截面及其在规则生长方向上的偏置配置。如果生长方向相反，则极性切换。

▲当电子穿过Ge / SiGe异质结构隧穿时，由于在辐射跃迁的较高状态下的次优注入，它们发出的光当前处于两个略有不同的频率。

该团队设计并制造了具有由SiGe和纯锗（Ge）制成的单元结构的设备，其高度小于100纳米，重复了51次。从这些基本上以原子精度制造的异质结构中，Stark及其同事如所预测的那样检测到电致发光，而出射光的光谱特征与计算结果非常吻合。与按相同器件几何形状制造的基于GaAs的结构进行比较，进一步确保了器件能够按预期工作。尽管Ge / SiGe结构的发射仍远低于其基于GaAs的发射，但这些结果清楚地表明该团队处于正确的轨道上。下一步将是根据该团队开发的激光设计组装相似的Ge / SiGe结构。最终目标是使硅质QCL在室温下工作。

这样的成就在几个方面都将是重要的。最终，它不仅会在硅基板上实现激光，从而促进了硅光子学的发展。由Stark等人创建的结构的发射。在太赫兹地区，目前缺少紧凑型光源。基于硅的QCL具有潜在的多功能性并降低了制造成本，对于从医学成像到无线通信的现有和新应用领域中的太赫兹辐射的大规模使用而言，这可能是一个福音。

该研究成果于3月8日发表在《AIP应用物理快报》上。

本文来源：David Stark et al, THz intersubband electroluminescence from n-type Ge/SiGe quantum cascade structures, Applied Physics Letters (2021). DOI: 10.1063/5.0041327