Low-threshold optically pumped lasing in highly strained germanium nanowires

Abstract

The integration of efficient, miniaturized group IV lasers into CMOS architecture holds the key to the realization of fully functional photonic-integrated circuits. Despite several years of progress, however, all group IV lasers reported to date exhibit impractically high thresholds owing to their unfavourable bandstructures. Highly strained germanium with its fundamentally altered bandstructure has emerged as a potential low-threshold gain medium, but there has yet to be a successful demonstration of lasing from this seemingly promising material system. Here we demonstrate a low-threshold, compact group IV laser that employs a germanium nanowire under a 1.6% uniaxial tensile strain as the gain medium. The amplified material gain in strained germanium can sufficiently overcome optical losses at 83 K, thus allowing the observation of multimode lasing with an optical pumping threshold density of ~3.0 kW cm−2. Our demonstration opens new possibilities for group IV lasers for photonic-integrated circuits.

Finite Element Stress Model of Direct Band Gap Ge Implementation Method Compatible with Si Process

“…On the one hand, modified Ge has excellent hole mobility and can be used in high-speed semiconductor electrical devices [6]. On the other hand, modified Ge has a quasi-direct band gap structure, which can realize direct band gap luminescence by means of energy band engineering and other means and thus can be applied to lightemitting devices such as lasers and LEDs [7][8][9][10][11][12][13][14][15][16]. Most importantly, both Ge and Si belong to IV materials and have significant advantages in process and production costs.…”

Локально деформированные структуры Ge/SOI с улучшенным теплоотводом как активная среда для кремниевой оптоэлектроники

“…Отчасти с проблемой теплоотвода связывалось долгое отсутствие наблюдения стимулированного излучения в подобных структурах, несмотря на достижение теоретически предсказанных значений упругих деформаций, при которых оно должно реализовываться [9][10][11][12]. Лишь в недавних работах было доложено о достижении лазерной генерации в локально растянутых Ge структурах в геометрии типа " микромостик" [13] и " микродиск" [14] при криогенных температурах, одним из условий достижения которой как раз и была реализация теплоотвода от активной области структур. В обоих случаях для этой цели использовался метод " сращивания" ( " bonding").…”

Сравнительный анализ люминесценции слоев Ge : Sb, выращенных на подложках Ge(001) и Si(001)

“…В последние годы легированные донорами слои Ge, сформированные на кремнии, привлекают к себе пристальное внимание в связи с возможностью их использования в кремниевой оптоэлектронике и плазмонике [1][2][3][4][5][6][7]. В частности, активно исследуется возможность увеличения эффективности излучательной рекомбинации носителей заряда в Ge при его легировании донорами и растяжении.…”

“…В частности, активно исследуется возможность увеличения эффективности излучательной рекомбинации носителей заряда в Ge при его легировании донорами и растяжении. Данный подход позволил получить лазерную генерацию в инфракрасном диапазоне на растянутом сильно легированном n-Ge [1][2][3][4][5]. Полагается, что легирование Ge донорами позволяет за счет заполнения электронных состояний в L-долине увеличить заселенность электронных состояний в Ŵ-долине и, как следствие, ведет к росту вероятности прямых в k-пространстве излучательных переходов.…”