(Si)GeSn semiconductors are finally coming of age after a long gestation period. The demonstration of device-quality epi-layers and quantum-engineered heterostructures has meant that tunable all-group IV Si-integrated infrared photonics is now a real possibility. Notwithstanding the recent exciting developments in (Si)GeSn materials and devices, this family of semiconductors is still facing serious limitations that need to be addressed to enable reliable and scalable applications. The main outstanding challenges include the difficulty to grow high-crystalline quality layers and heterostructures at the desired content and lattice strain, preserve the material integrity during growth and throughout device processing steps, and control doping and defect density. Other challenges are related to the lack of optimized device designs and predictive theoretical models to evaluate and simulate the fundamental properties and performance of (Si)GeSn layers and heterostructures. This Perspective highlights key strategies to circumvent these hurdles and hopefully bring this material system to maturity to create far-reaching opportunities for Si-compatible infrared photodetectors, sensors, and emitters for applications in free-space communication, infrared harvesting, biological and chemical sensing, and thermal imaging.

1.
S.
Wirths
,
R.
Geiger
,
N.
von den Driesch
,
G.
Mussler
,
T.
Stoica
,
S.
Mantl
,
Z.
Ikonic
,
M.
Luysberg
,
S.
Chiussi
,
J. M.
Hartmann
,
H.
Sigg
,
J.
Faist
,
D.
Buca
, and
D.
Grützmacher
,
Nat. Photonics
9
,
88
(
2015
).
2.
Y.
Zhou
,
W.
Dou
,
W.
Du
,
S.
Ojo
,
H.
Tran
,
S. A.
Ghetmiri
,
J.
Liu
,
G.
Sun
,
R.
Soref
,
J.
Margetis
,
J.
Tolle
,
B.
Li
,
Z.
Chen
,
M.
Mortazavi
, and
S. Q.
Yu
,
ACS Photonics
6
,
1434
(
2019
).
3.
J.
Chrétien
,
N.
Pauc
,
F.
Armand Pilon
,
M.
Bertrand
,
Q.-M.
Thai
,
L.
Casiez
,
N.
Bernier
,
H.
Dansas
,
P.
Gergaud
,
E.
Delamadeleine
,
R.
Khazaka
,
H.
Sigg
,
J.
Faist
,
A.
Chelnokov
,
V.
Reboud
,
J.-M.
Hartmann
, and
V.
Calvo
,
ACS Photonics
6
,
2462
(
2019
).
4.
A.
Elbaz
,
D.
Buca
,
N.
von den Driesch
,
K.
Pantzas
,
G.
Patriarche
,
N.
Zerounian
,
E.
Herth
,
X.
Checoury
,
S.
Sauvage
,
I.
Sagnes
,
A.
Foti
,
R.
Ossikovski
,
J.
Hartmann
,
F.
Boeuf
,
Z.
Ikonic
,
P.
Boucaud
,
D.
Grützmacher
, and
M.
El Kurdi
,
Nat. Photonics
14
,
375
(
2020
).
5.
Y.
Zhou
,
Y.
Miao
,
S.
Ojo
,
H.
Tran
,
G.
Abernathy
,
J. M.
Grant
,
S.
Amoah
,
G.
Salamo
,
W.
Du
,
J.
Liu
,
J.
Margetis
,
J.
Tolle
,
Y.-H.
Zhang
,
G.
Sun
,
R. A.
Soref
,
B.
Li
, and
S.-Q.
Yu
,
Optica
7
,
924
(
2020
).
6.
S.
Xu
,
W.
Wang
,
Y.-C.
Huang
,
Y.
Dong
,
S.
Masudy-Panah
,
H.
Wang
,
X.
Gong
, and
Y.-C.
Yeo
,
Opt. Express
27
,
5798
(
2019
).
7.
M. R. M.
Atalla
,
S.
Assali
,
A.
Attiaoui
,
C.
Lemieux-Leduc
,
A.
Kumar
,
S.
Abdi
, and
O.
Moutanabbir
,
Adv. Funct. Mater.
31
,
2006329
(
2021
).
8.
M.
Oehme
,
K.
Kostecki
,
K.
Ye
,
S.
Bechler
,
K.
Ulbricht
,
M.
Schmid
,
M.
Kaschel
,
M.
Gollhofer
,
R.
Körner
,
W.
Zhang
,
E.
Kasper
, and
J.
Schulze
,
Opt. Express
22
,
839
(
2014
).
9.
S.
Assali
,
A.
Dijkstra
,
É.
Bouthillier
,
A.
Attiaoui
,
J. E. M.
Haverkort
, and
O.
Moutanabbir
,
Phys. Rev. Appl.
15
,
024031
(
2021
).
10.
D. J.
Paul
,
J. Appl. Phys.
120
,
043103
(
2016
).
11.
H.-S.
Lan
,
S. T.
Chang
, and
C. W.
Liu
,
Phys. Rev. B
95
,
201201
(
2017
).
12.
X.
Kong
,
L.
Li
, and
F. M.
Peeters
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
251601
(
2018
).
13.
C. H. L.
Goodman
,
IEE Proc.
129
,
189
(
1982
).
14.
D. W.
Jenkins
and
J. D.
Dow
,
Phys. Rev. B
36
,
7994
(
1987
).
15.
S. A.
Ghetmiri
,
W.
Du
,
J.
Margetis
,
A.
Mosleh
,
L.
Cousar
,
B. R.
Conley
,
L.
Domulevicz
,
A.
Nazzal
,
G.
Sun
,
R. A.
Soref
,
J.
Tolle
,
B.
Li
,
H. A.
Naseem
, and
S.-Q.
Yu
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
151109
(
2014
).
16.
H.
Tran
,
T.
Pham
,
J.
Margetis
,
Y.
Zhou
,
W.
Dou
,
P. C.
Grant
,
J. M.
Grant
,
S.
Al-Kabi
,
G.
Sun
,
R. A.
Soref
,
J.
Tolle
,
Y.-H.
Zhang
,
W.
Du
,
B.
Li
,
M.
Mortazavi
, and
S.-Q.
Yu
,
ACS Photonics
6
,
2807
(
2019
).
17.
J.
Aubin
,
J. M.
Hartmann
,
A.
Gassenq
,
J. L.
Rouviere
,
E.
Robin
,
V.
Delaye
,
D.
Cooper
,
N.
Mollard
,
V.
Reboud
, and
V.
Calvo
,
Semicond. Sci. Technol.
32
,
094006
(
2017
).
18.
J.
Margetis
,
A.
Mosleh
,
S. A.
Ghetmiri
,
S.
Al-Kabi
,
W.
Dou
,
W.
Du
,
N.
Bhargava
,
S.-Q.
Yu
,
H.
Profijt
,
D.
Kohen
,
R.
Loo
,
A.
Vohra
, and
J.
Tolle
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
70
,
38
(
2017
).
19.
S.
Assali
,
J.
Nicolas
,
S.
Mukherjee
,
A.
Dijkstra
, and
O.
Moutanabbir
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
251903
(
2018
).
20.
C.
Xu
,
D.
Ringwala
,
D.
Wang
,
L.
Liu
,
C. D.
Poweleit
,
S. L. Y.
Chang
,
H. L.
Zhuang
,
J.
Menéndez
, and
J.
Kouvetakis
,
Chem. Mater.
31
,
9831
(
2019
).
21.
A.
Nayfeh
,
C. O.
Chui
,
K. C.
Saraswat
, and
T.
Yonehara
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
2815
(
2004
).
22.
A.
Bhat
,
O.
Elleuch
,
X.
Cui
,
Y.
Guan
,
S. A.
Scott
,
T. F.
Kuech
, and
M. G.
Lagally
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
20859
(
2020
).
23.
V.
Schlykow
,
P.
Zaumseil
,
M. A.
Schubert
,
O.
Skibitzki
,
Y.
Yamamoto
,
W. M.
Klesse
,
Y.
Hou
,
M.
Virgilio
,
M.
De Seta
,
L.
Di Gaspare
,
T.
Schroeder
, and
G.
Capellini
,
Nanotechnology
29
,
415702
(
2018
).
24.
M. S.
Seifner
,
A.
Dijkstra
,
J.
Bernardi
,
A.
Steiger-Thirsfeld
,
M.
Sistani
,
A.
Lugstein
,
J. E. M.
Haverkort
, and
S.
Barth
,
ACS Nano
13
,
8047
(
2019
).
25.
S.
Assali
,
A.
Dijkstra
,
A.
Li
,
S.
Koelling
,
M. A.
Verheijen
,
L.
Gagliano
,
N.
von den Driesch
,
D.
Buca
,
P. M.
Koenraad
,
J. E. M.
Haverkort
, and
E. P. A. M.
Bakkers
,
Nano Lett.
17
,
1538
(
2017
).
26.
A. C.
Meng
,
C. S.
Fenrich
,
M. R.
Braun
,
J. P.
McVittie
,
A. F.
Marshall
,
J. S.
Harris
, and
P. C.
McIntyre
,
Nano Lett.
16
,
7521
(
2016
).
27.
J.
Doherty
,
S.
Biswas
,
D.
McNulty
,
C.
Downing
,
S.
Raha
,
C.
O'Regan
,
A.
Singha
,
C.
O'Dwyer
, and
J. D.
Holmes
,
Chem. Mater.
31
,
4016
(
2019
).
28.
Y.
Yang
,
X.
Wang
,
C.
Wang
,
Y.
Song
,
M.
Zhang
,
Z.
Xue
,
S.
Wang
,
Z.
Zhu
,
G.
Liu
,
P.
Li
,
L.
Dong
,
Y.
Mei
,
P. K.
Chu
,
W.
Hu
,
J.
Wang
, and
Z.
Di
,
Nano Lett.
20
,
3872
(
2020
).
29.
C.
Xu
,
R. T.
Beeler
,
G. J.
Grzybowski
,
A. V. G.
Chizmeshya
,
D. J.
Smith
,
J.
Menéndez
, and
J.
Kouvetakis
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
20756
(
2012
).
30.
B.
Vincent
,
F.
Gencarelli
,
H.
Bender
,
C.
Merckling
,
B.
Douhard
,
D. H.
Petersen
,
O.
Hansen
,
H. H.
Henrichsen
,
J.
Meersschaut
,
W.
Vandervorst
,
M.
Heyns
,
R.
Loo
, and
M.
Caymax
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
152103
(
2011
).
31.
N.
Bhargava
,
J.
Margetis
, and
J.
Tolle
,
Semicond. Sci. Technol.
32
,
094003
(
2017
).
32.
B.
Cao
,
S.
Chen
,
X.
Jin
,
J.
Liu
, and
T.
Li
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
57245
(
2020
).
33.
G.
He
and
H. A.
Atwater
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
1937
(
1997
).
34.
V. R.
D'Costa
,
C. S.
Cook
,
A. G.
Birdwell
,
C. L.
Littler
,
M.
Canonico
,
S.
Zollner
,
J.
Kouvetakis
, and
J.
Menéndez
,
Phys. Rev. B
73
,
125207
(
2006
).
35.
P.
Moontragoon
,
R. A.
Soref
, and
Z.
Ikonic
,
J. Appl. Phys.
112
,
073106
(
2012
).
36.
C.
Eckhardt
,
K.
Hummer
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
89
,
165201
(
2014
).
37.
M. P.
Polak
,
P.
Scharoch
, and
R.
Kudrawiec
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
50
,
195103
(
2017
).
38.
C. A.
Broderick
,
E. J.
O'Halloran
,
M. D.
Dunne
,
A. C.
Kirwan
,
A. D.
Andreev
,
S.
Schulz
, and
E. P.
O'Reilly
, in
2020 IEEE Photonics Society Summer Topicals Meeting Series
(
IEEE
,
2020
), pp.
1
2
.
39.
E. J.
O'Halloran
,
C. A.
Broderick
,
D. S. P.
Tanner
,
S.
Schulz
, and
E. P.
O'Reilly
,
Opt. Quantum Electron.
51
,
314
(
2019
).
40.
T. D.
Eales
,
I. P.
Marko
,
S.
Schulz
,
E.
O'Halloran
,
S.
Ghetmiri
,
W.
Du
,
Y.
Zhou
,
S.-Q.
Yu
,
J.
Margetis
,
J.
Tolle
,
E. P.
O'Reilly
, and
S. J.
Sweeney
,
Sci. Rep.
9
,
14077
(
2019
).
41.
Y.
Lin
,
D.
Ma
,
K. H.
Lee
,
J.
Zhou
,
X.
Guo
,
H.
Wang
,
C. S.
Tan
, and
J.
Michel
, in
Proceedings of the IEEE Conference Group IV Photonics
(
2018
), pp.
53
54
.
42.
F.
Gunning
and
B.
Corbett
,
Opt. Photonics News
30
,
42
(
2019
).
43.
Y.
Dong
,
W.
Wang
,
S. Y.
Lee
,
D.
Lei
,
X.
Gong
,
W. K.
Loke
,
S.-F.
Yoon
,
G.
Liang
, and
Y.-C.
Yeo
,
Semicond. Sci. Technol.
31
,
095001
(
2016
).
44.
X.
Zeng
,
Z.
Huang
,
B.
Wang
,
D.
Liang
,
M.
Fiorentino
, and
R. G.
Beausoleil
,
Optica
6
,
772
(
2019
).
45.
A.
Attiaoui
and
O.
Moutanabbir
,
J. Appl. Phys.
116
,
063712
(
2014
).
46.
Y.-C.
Tai
,
P.-L.
Yeh
,
S.
An
,
H.-H.
Cheng
,
M.
Kim
, and
G.-E.
Chang
,
Nanotechnology
31
,
445301
(
2020
).
47.
R. W.
Millar
,
D. C. S.
Dumas
,
K. F.
Gallacher
,
P.
Jahandar
,
C.
MacGregor
,
M.
Myronov
, and
D. J.
Paul
,
Opt. Express
25
,
25374
(
2017
).
48.
C. S.
Fenrich
,
X.
Chen
,
R.
Chen
,
Y.-C.
Huang
,
H.
Chung
,
M.-Y.
Kao
,
Y.
Huo
,
T. I.
Kamins
, and
J. S.
Harris
,
ACS Photonics
3
,
2231
(
2016
).
49.
See http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/ for basic semiconductor parameters.
50.
G.
Sun
,
R. A.
Soref
, and
H. H.
Cheng
,
J. Appl. Phys.
108
,
033107
(
2010
).
51.
See https://www.osti.gov/servlets/purl/1241693 for a conference addressing the progress in T2SL.
52.
D.
Stange
,
N.
von den Driesch
,
T.
Zabel
,
F.
Armand-Pilon
,
D.
Rainko
,
B.
Marzban
,
P.
Zaumseil
,
J.-M.
Hartmann
,
Z.
Ikonic
,
G.
Capellini
,
S.
Mantl
,
H.
Sigg
,
J.
Witzens
,
D.
Grützmacher
, and
D.
Buca
,
ACS Photonics
5
,
4628
(
2018
).
53.
D.
Stange
,
S.
Wirths
,
R.
Geiger
,
C.
Schulte-Braucks
,
B.
Marzban
,
N.
von den Driesch
,
G.
Mussler
,
T.
Zabel
,
T.
Stoica
,
J.-M.
Hartmann
,
S.
Mantl
,
Z.
Ikonic
,
D.
Grützmacher
,
H.
Sigg
,
J.
Witzens
, and
D.
Buca
,
ACS Photonics
3
,
1279
(
2016
).
54.
B.
Julsgaard
,
N.
von den Driesch
,
P.
Tidemand-Lichtenberg
,
C.
Pedersen
,
Z.
Ikonic
, and
D.
Buca
,
Photonics Res.
8
,
788
(
2020
).
56.
B.
Marzban
,
J.
Nojic
,
D.
Stange
,
D.
Buca
, and
J.
Witzens
, “
J. Design of a waveguide-coupled GeSn disk laser
,” in
2020 IEEE Photonics Society Summer Topicals Meeting Series (SUM)
(
IEEE
,
2020
), pp.
1
2
.
57.
J.
Van Campenhout
,
P.
Rojo-Romeo
,
P.
Regreny
,
C.
Seassal
,
D.
Van Thourhout
,
L. D.
Cioccio
,
J.-M.
Fedeli
, and
R.
Baets
, “
Optimization of electrically pumped microdisk lasers integrated with a nanophotonic SOI waveguide circuit
,” in
Integrated Photonics and Nanophotonics Research and Applications/Slow and Fast Light
(
OSA
,
2007
), Vol.
15
, p.
ITuG3
.
58.
J.
Dong
and
D.
Xiong
,
Ann. Biomed. Eng.
45
,
2509
(
2017
).
59.
W.
Zeller
,
L.
Naehle
,
P.
Fuchs
,
F.
Gerschuetz
,
L.
Hildebrandt
, and
J.
Koeth
,
Sensors
10
,
2492
(
2010
).
60.
For example, see
http://www.roithner-laser.com/led_midir_standard.html for LED34, Roitner LaserTechnikand http://mirdog.spb.ru/products.htm for MIRDOG.
61.
L.
Casiez
,
M.
Bertrand
,
J.
Chretien
,
A.
Quintero
,
Q. M.
Thai
,
M.
Frauenrath
,
O.
Lartigue
,
P.
Barritault
,
N.
Bernier
,
P.
Rodriguez
,
A.
Chelnokov
,
J.-M.
Hartmann
,
N.
Pauc
,
V.
Calvo
, and
V.
Reboud
, in
GIEEE 17th International Conference on Group IV Photonics (
2021
).
62.
D.
Stange
,
N.
von den Driesch
,
D.
Rainko
,
S.
Roesgaard
,
I.
Povstugar
,
J.-M.
Hartmann
,
T.
Stoica
,
Z.
Ikonic
,
S.
Mantl
,
D.
Grützmacher
, and
D.
Buca
,
Optica
4
,
185
(
2017
).
63.
L.
Peng
,
X.
Li
,
J.
Zheng
,
X.
Liu
,
M.
Li
,
Z.
Liu
,
C.
Xue
,
Y.
Zuo
, and
B.
Cheng
,
J. Lumin.
228
,
117539
(
2020
).
64.
A.
Yariv
,
IEEE Trans. Electron Devices
31
,
1656
(
1984
).
65.
Z.
Alferov
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
6
,
832
(
2000
).
You do not currently have access to this content.