Geナノワイヤにおける刺激ラマン散乱

Stimulated Raman Scattering in Ge Nanowires.

• Masiar Sistani
• Maximilian G Bartmann
• Nicholas A Güsken
• Rupert F Oulton
• Hamid Keshmiri
• Minh Anh Luong
• Eric Robin
• Martien I den Hertog
• Alois Lugstein

抄録

IV族をベースとしたフォトニック部品の研究は、相補的な金属酸化物半導体（CMOS）互換光源の開発に大きな関心が寄せられており、非常に活発な研究分野である。しかし、これらの材料の間接的なバンドギャップのために、純粋なGeやSiをベースにした効果的な発光ダイオードやレーザーを実現することはできません。このような背景から、IV族ベースのラマンレーザーの開発に大きな関心が寄せられている。それにもかかわらず、SiやGeでは刺激されたラマン散乱の量子収率が低いため、大きなデバイスフットプリントと高いラマン閾値が必要となります。その結果、エネルギー効率の高いラマンレーザーの開発は困難を極めています。ここでは、Geナノワイヤ(NW)と軸方向のAl-Ge-Al NWヘテロ構造における刺激ラマン散乱(SRS)の系統的な研究を報告する。その形状に応じて、これらの準一次元（1D）ヘテロ構造は、Geナノワイヤ、Geナノドット、またはGeナノディスクに再集合することができ、これらは、光学的閉じ込めと効果的な熱放散の両方を促進する単結晶Al（c-Al）ミラー内にモノリシックに統合されています。これらのナノ空洞内の光モード共振は、60kW/cmという低いSRS閾値をサポートしています。最も注目すべきは、我々の発見は、将来のモノリシックに統合されたナノスケールの低出力グループIVベースのラマンレーザーの高い可能性を解明するためのプラットフォームを提供することである。

Investigating group-IV-based photonic components is a very active area of research with extensive interest in developing complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) compatible light sources. However, due to the indirect band gap of these materials, effective light-emitting diodes and lasers based on pure Ge or Si cannot be realized. In this context, there is considerable interest in developing group-IV based Raman lasers. Nevertheless, the low quantum yield of stimulated Raman scattering in Si and Ge requires large device footprints and high lasing thresholds. Consequently, the fabrication of integrated, energy-efficient Raman lasers is challenging. Here, we report the systematic investigation of stimulated Raman scattering (SRS) in Ge nanowires (NWs) and axial Al-Ge-Al NW heterostructures with Ge segments that come into contact with self-aligned Al leads with abrupt metal-semiconductor interfaces. Depending on their geometry, these quasi-one-dimensional (1D) heterostructures can reassemble into Ge nanowires, Ge nanodots, or Ge nanodiscs, which are monolithically integrated within monocrystalline Al (c-Al) mirrors that promote both optical confinement and effective heat dissipation. Optical mode resonances in these nanocavities support in SRS thresholds as low as 60 kW/cm. Most notably, our findings provide a platform for elucidating the high potential of future monolithically integrated, nanoscale low-power group-IV-based Raman lasers.

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