Electrically injected GeSn lasers with peak wavelength up to 2.7 μm
Yiyin Zhou, Solomon Ojo, Chenwei Wu, Yuanhao Miao, Huong Tran, Joshua M. Grant, Grey Abernathy, Sylvester Amoah, J. A. Bass, Gregory J. Salamo, Wei Du, Guo‐En Chang, Jifeng Liu, Joe Margetis, John Tolle, Yong‐Hang Zhang, Greg Sun, Richard Soref, Baohua Li, Shui-Qing Yu
Abstract
GeSn lasers enable the monolithic integration of lasers on the Si platform using all-group-IV direct-bandgap material. The GeSn laser study recently moved from optical pumping into electrical injection. In this work, we present explorative investigations of GeSn heterostructure laser diodes with various layer thicknesses and material compositions. Cap layer material was studied by using <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m1"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Si</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.03</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Ge</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.89</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Sn</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.08</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m2"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Ge</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.95</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Sn</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.05</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> , and cap layer total thickness was also compared. The 190 nm SiGeSn-cap device had threshold of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m3"> <mml:mrow> <mml:mn>0.6</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi>kA</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">cm</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> at 10 K and a maximum operating temperature ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m4"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>max</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ) of 100 K, compared to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m5"> <mml:mrow> <mml:mn>1.4</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi>kA</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">cm</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> and 50 K from 150 nm SiGeSn-cap device, respectively. Furthermore, the 220 nm GeSn-cap device had 10 K threshold at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m6"> <mml:mrow> <mml:mn>2.4</mml:mn> <mml:mtext> </mml:mtext> <mml:mi>kA</mml:mi> <mml:mo>/</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="normal">cm</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m7"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>max</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> at 90 K, i.e., higher threshold and lower maximal operation temperature compared to the SiGeSn cap layer, indicating that enhanced electron confinement using SiGeSn can reduce the threshold considerably. The study of the active region material showed that device gain region using <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m8"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Ge</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.87</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Sn</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.13</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> had a higher threshold and lower <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m9"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi mathvariant="italic">T</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>max</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> , compared to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m10"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Ge</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.89</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Sn</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.11</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> . The performance was affected by the metal absorption, free carrier absorption, and possibly defect density level. The maximum peak wavelength was measured as 2682 nm at 90 K by using <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline" id="m11"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Ge</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.87</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mi>Sn</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>0.13</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> in gain regions. The investigations provide directions to the future GeSn laser diode designs toward the full integration of group-IV photonics on a Si platform.