The optical emission of germanium-based luminescent and/or laser devices can be enhanced by tensile strain and n-type doping. In this work, we study by simulation the interplay between electrical transport and optical gain in highly n-doped and intrinsic germanium p-n heterostructure diodes under tensile strain. The effects of strain and doping on carrier mobilities and energy distribution are taken into account. Whereas the n-doping of Ge enhances the filling of the indirect L and Brillouin zone-center conduction band states, the n-doping also reduces the carrier injection efficiency, which is detrimental for the achievement of optical gain at reduced current densities. For applied biaxial strains larger than 1.25%, i.e., far before reaching the cross-over from indirect to direct band gap regime, undoped germanium exhibits a lower optical gain threshold as compared to doped germanium. We also show that the threshold current needed to reach transparency in germanium heterostructures has been significantly underestimated in the previous works.

1.
J.
Liu
,
X.
Sun
,
D.
Pan
,
X.
Wang
,
L. C.
Kimerling
,
T. L.
Koch
, and
J.
Michel
,
Opt. Express
15
,
11272
(
2007
).
2.
D.
Nam
,
D. S.
Sukhdeo
,
S.
Gupta
,
J.-H.
Kang
,
M. L.
Brongersma
, and
K. C.
Saraswat
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
20
,
1500107
(
2014
).
3.
R. E.
Camacho-Aguilera
,
Y.
Cai
,
N.
Patel
,
J. T.
Bessette
,
M.
Romagnoli
,
L. C.
Kimerling
, and
J.
Michel
,
Opt. Express
20
,
11316
(
2012
).
4.
X.
Sun
,
J.
Liu
,
L. C.
Kimerling
, and
J.
Michel
,
Opt. Lett.
34
,
1198
(
2009
).
5.
M.
El Kurdi
,
T.
Kociniewski
,
T.-P.
Ngo
,
J.
Boulmer
,
D.
Debarre
,
P.
Boucaud
,
J. F.
Damlencourt
,
O.
Kermarrec
, and
D.
Bensahel
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
191107
(
2009
).
6.
M.
Schmid
,
M.
Oehme
,
M.
Gollhofer
,
R.
Korner
,
M.
Kaschel
,
E.
Kasper
, and
J.
Schulze
,
Thin Solid Films
557
,
351
(
2014
).
7.
S.-L.
Cheng
,
J.
Lu
,
G.
Shambat
,
H.-Y.
Yu
,
K.
Saraswat
,
J.
Vuckovic
, and
Y.
Nishi
,
Opt. Express
17
,
10019
(
2009
).
8.
M.
de Kersauson
,
R.
Jakomin
,
M.
El Kurdi
,
G.
Beaudoin
,
N.
Zerounian
,
F.
Aniel
,
S.
Sauvage
,
I.
Sagnes
, and
P.
Boucaud
,
J. Appl. Phys.
108
,
023105
(
2010
).
9.
D.
Nam
,
D.
Sukhdeo
,
S.-L.
Cheng
,
A.
Roy
,
K.
Chih-Yao Huang
,
M.
Brongersma
,
Y.
Nishi
, and
K.
Saraswat
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
131112
(
2012
).
10.
M.
Kaschel
,
M.
Schmid
,
M.
Gollhofer
,
J.
Werner
,
M.
Oehme
, and
J.
Schulze
,
Solid-State Electron.
83
,
87
(
2013
).
11.
M.
Prost
,
M.
El Kurdi
,
A.
Ghrib
,
X.
Checoury
,
N.
Zerounian
,
F.
Aniel
,
G.
Beaudoin
,
I.
Sagnes
,
C.
Baudot
,
F.
Boeuf
, and
P.
Boucaud
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
241104
(
2014
).
12.
M.
Prost
,
M.
El Kurdi
,
A.
Ghrib
,
S.
Sauvage
,
X.
Checoury
,
N.
Zerounian
,
F.
Aniel
,
G.
Beaudoin
,
I.
Sagnes
,
F.
Boeuf
, and
P.
Boucaud
,
Opt Express
23
,
6722
(
2015
).
13.
R.
Jakomin
,
M.
de Kersauson
,
M.
El Kurdi
,
L.
Largeau
,
O.
Mauguin
,
G.
Beaudoin
,
S.
Sauvage
,
R.
Ossikovski
,
G.
Ndong
, and
M.
Chaigneau
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
091901
(
2011
).
14.
B.
Dutt
,
D. S.
Sukhdeo
,
D.
Nam
,
B. M.
Vulovic
,
Z.
Yuan
, and
K. C.
Saraswat
,
IEEE Photonics J.
4
,
2002
(
2012
).
15.
Y.
Cai
,
Z.
Han
,
X.
Wang
,
R. E.
Camacho-Aguilera
,
L. C.
Kimerling
,
J.
Michel
, and
J.
Liu
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
19
,
1901009
(
2013
).
16.
H.
Wen
and
E.
Bellotti
,
Phys. Rev. B
91
,
035307
(
2015
).
17.
E.
Gaubas
,
M.
Bauza
,
A.
Uleckas
, and
J.
Vanhellemont
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
9
,
781
(
2006
).
18.
R.
Conradt
and
J.
Aengenheister
,
Solid State Commun.
10
,
321
(
1972
).
19.
Y. P.
Varshni
,
Phys. Status Solidi B
19
,
459
(
1967
).
20.
E. T.
Yu
,
E. T.
Croke
,
D. H.
Chow
,
D. A.
Collins
,
M. C.
Phillips
,
T. C.
McGill
,
J. O.
McCaldin
, and
R. H.
Miles
,
J. Vac. Sci. Technol. B
8
,
908
(
1990
).
21.
L.
Colombo
,
R.
Resta
, and
S.
Baroni
,
Phys. Rev. B
44
,
5572
(
1991
).
22.
M. M.
Rieger
and
P.
Vogl
,
Phys. Rev. B
48
,
14276
(
1993
).
23.
C. G.
Van de Walle
and
R. M.
Martin
,
Phys. Rev. B
34
,
5621
(
1986
).
24.
A.
Ghrib
,
M.
de Kersauson
,
M.
El Kurdi
,
R.
Jakomin
,
G.
Beaudoin
,
S.
Sauvage
,
G.
Fishman
,
G.
Ndong
,
M.
Chaigneau
, and
R.
Ossikovski
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
201104
(
2012
).
25.
M. V.
Fischetti
and
S. E.
Laux
,
J. Appl. Phys.
80
,
2234
(
1996
).
26.
R.
Geiger
,
J.
Frigerio
,
M. J.
Suess
,
D.
Chrastina
,
G.
Isella
,
R.
Spolenak
,
J.
Faist
, and
H.
Sigg
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
062106
(
2014
).
27.
G.
Hellings
,
G.
Eneman
,
R.
Krom
,
B.
de Jaeger
,
J.
Mitard
,
A.
de Keersgieter
,
T.
Hoffmann
,
M.
Meuris
, and
K.
de Meyer
,
IEEE Trans. Electron Devices
57
,
2539
(
2010
).
28.
D. B. M.
Klaassen
,
Tech. Dig. –Int. Electron Devices Meet.
1990
,
357
360
.
29.
M. G. A.
Bernard
and
G.
Duraffourg
,
Phys. Status Solidi B
1
,
699
(
1961
).
30.
M.
El Kurdi
,
G.
Fishman
,
S.
Sauvage
, and
P.
Boucaud
,
J. Appl. Phys.
107
,
013710
(
2010
).
31.
M.
El Kurdi
,
G.
Fishman
,
S.
Sauvage
, and
P.
Boucaud
,
Phys. Rev. B
68
,
165333
(
2003
).
32.
S.
Richard
,
F.
Aniel
, and
G.
Fishman
,
Phys. Rev. B
70
,
235204
(
2004
).
33.
R. N.
Dexter
,
H. J.
Zeiger
, and
B.
Lax
,
Phys. Rev.
104
,
637
(
1956
).
34.
P.
Boucaud
,
M.
El Kurdi
,
A.
Ghrib
,
M.
Prost
,
M.
de Kersauson
,
S.
Sauvage
,
F.
Aniel
,
X.
Checoury
,
G.
Beaudoin
, and
L.
Largeau
,
Photonics Res.
1
,
102
(
2013
).
35.
A.
Ghrib
,
M.
El Kurdi
,
M.
Prost
,
S.
Sauvage
,
X.
Checoury
,
G.
Beaudoin
,
M.
Chaigneau
,
R.
Ossikovski
,
I.
Sagnes
, and
P.
Boucaud
,
Adv. Opt. Mater.
3
,
353
(
2015
).
36.
M.
Virgilio
,
C. L.
Manganelli
,
G.
Grosso
,
G.
Pizzi
, and
G.
Capellini
,
Phys. Rev. B
87
,
235313
(
2013
).
37.
M.
de Kersauson
,
M.
El Kurdi
,
S.
David
,
X.
Checoury
,
G.
Fishman
,
S.
Sauvage
,
R.
Jakomin
,
G.
Beaudoin
,
I.
Sagnes
, and
P.
Boucaud
,
Opt. Express
19
,
17925
(
2011
).
You do not currently have access to this content.