图1 基于应变锗微桥的发射探测器件示意图

1. 导读

随着硅基光波导、光开关、调制器以及探测器的实现，距离完全的硅基光电集成只差硅基光源这最后一块拼图。III-V族材料由于其直接带隙的特点，具有较大的光增益，基于硅基平台进行异质集成，在大范围可调谐、低噪声和窄线宽激光器方面取得了很大进展。然而，电驱动的IV族激光器具有更好的CMOS兼容性，因此依然是硅基光子学领域长期的追求。利用n型重掺杂、合金化、引入应变等方法，锗材料已经可以实现高效的直接带隙发光。但是目前大多数的研究结果依然停留在光驱动和低温试验的层面。此外，在器件结构方面，设计波导以及光栅，构建谐振腔，并与其它器件进行片上互连，这也是十分必要的。

针对这些问题，近日华中科技大学孙军强教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种基于应变锗微桥的发射探测芯片，利用微桥结构引入高度的单轴张应变，减小锗材料G谷和L谷的带隙之差，结合横向p-i-n结，实现增强的电致发光。此外，在光发射器后级联一个反向偏置的p-i-n结，构建了一个单片集成的光探测器（见图1）。通过合理的应变管理，用于光探测的微桥可以具有与用于光发射的微桥相同的能带结构，从而使片上光探测器的工作波长与光发射器匹配。

团队设计了一套完整的应变微桥器件的工艺实现流程。利用片上集成的光探测器对光发射器的输出进行监测，研究了应变和温度对于光发射器输出的影响。上述研究结果为应变锗光源的单片集成提供了一种可行的方案。

2. 研究背景

锗与硅同属IV族材料，在硅基平台上具有很好的兼容特性。尽管锗也是间接带隙材料，但是其位于G谷和L谷的带隙之差仅为140 meV，利用能带工程的技术，可以缩小该带隙差，甚至将锗转变为直接带隙材料，从而改善其发光特性。因此，有望利用锗材料实现CMOS兼容的硅基激光器。目前，实现锗激光器的能带工程技术主要包括n型重掺杂、锗锡合金、应变技术、六方锗等。在低温条件下的光致发光测试中，研究人员证明了在直接带隙的锗材料中可以实现激光。尽管这些结果是IV族激光器研究中的重要进展，但是面对实际应用的需求，目前的锗激光器缺少有效的电注入以及高Q谐振腔等结构。

3. 创新研究

针对上述问题，研究团队从微桥结构引入单轴张应变出发，设计了一种光发射器和光探测器单片集成的结构。该结构具有一对悬空锗微桥，由波导连接，一端用于光发射而另一端用于光探测。微桥区域设计有横向p-i-n结，用于实现电注入。光栅结构用于构建谐振腔及垂直耦合。首先，团队研究了器件制作的工艺流程。锗外延层采用了两步生长技术，从而获得较高的晶体质量和分布均匀的张应变，如图2所示。测得的的位错密度为~2×107cm-2。器件的制作采用了电子束曝光、紫外光刻、ICP刻蚀、PECVD、电子束蒸发、离子注入、湿法腐蚀等技术，如图3所示。图4为样品的扫描电镜（SEM）图像。图4（a）-（c）分别为器件整体视图、聚焦DBR光栅、光栅耦合器和表面DBR光栅。

图2 Ge-on-SOI外延流程示意图

图3 基于应变锗微桥的发射探测器件制作工艺流程图

图4 基于应变锗微桥的发射探测器件的扫描电镜（SEM）图

团队利用该器件，研究了应变和温度对应变锗微桥电致发光特性的影响。分别对悬空和未悬空器件进行了测试，结果表明，微桥中单轴张应变为2.6%时，探测端的输出结果相比原生锗增大36倍，如图5所示，大于仿真得到的自发辐射积分的7倍的增强。这不仅表明了应变对锗直接带隙发光的增强，还说明了带隙收缩导致的谱线红移使得应变锗有源器件工作在原生锗波导的低损耗窗口。

图5 悬空和未悬空器件探测端输出的对比

室温下对应于单轴张应变为1.6%和2.6%的微桥的应变增强因子分别为7.6和12.4。在不同温度下的探测端输出随注入载流子浓度变化的实验结果如图6（a）和6（b）所示。对于应变增强因子为7.6的微桥，探测端输出随温度的增加而增加，而在应变增强因子为12.4时，探测端输出在温度变化时保持一致。

主要有两种机制影响了器件的温度特性。首先，如图6（c）所示，随着温度的升高，由于费米分布热展宽的影响，电子从L谷的较低能态提升到G谷中。但从锗微桥结构的应变性质的角度来看，材料中的热应力将随温度的升高而减小，集中在微桥中的单轴张应变的变化趋势也是如此。因此，随着温度的升高，锗的G点带边和L点带边之差进一步增大，导致G谷中电子占比减少。

对于应变增强因子为7.6的弱应变结构，应变变化相对较小。因此，电子热化主导了器件的性能，如图6（d）所示，提高了G带中的电子占比，从而促进了自发发射。

对于应变增强因子为12.4的高应变结构，温度增加导致了相当大的应变减小，使G带与L带带边之差增大，导致G带电子填充减少，这能够抵消热化电子往G带填充的效应，如图6（d）中的绿线所示，在室温附近形成电子分布平衡，从而器件探测端输出随着温度变化保持稳定。

图6 不同应变值下探测端输出随温度变化趋势对比及分析

4. 应用与展望

研究团队展示了基于高度张应变锗微桥的光发射器和探测器的单片集成。通过精心设计的工艺流程和器件结构，发射端和探测端具有相同的应变值，从而使得吸收和发射光谱之间相互匹配。此外，应变不仅会增强自发发射，还会带来光谱红移效应，使器件工作波长超出原生锗的波导的吸收范围，有利于片上光的传播。温度相关性试验表明，在弱应变器件中，电子热化将促进自发发射，而随着温度升高而减小的应变将抵消其在高应变器件中的影响。通过适当的应变管理，可以实现低损耗和具有温度稳定性的器件。该器件除用于片上光发射器监测外，通过与调制器、开关、复用器和解复用器等其他光子器件相结合，可实现基于锗硅平台的光子集成电路，具有广阔的应用前景。

该研究成果以“Monolithic integrated emitting-detecting configuration based on strained Ge microbridge”为题在线发表在Nanophotonics。