Første ultra-lave tærskel kontinuerlig bølge lasing i GeSn

Transistorer i computerchips fungerer elektrisk, men data kan overføres hurtigere med lys. Forskere har derfor længe ledt efter en måde at integrere en laser direkte i siliciumchips. Et team af fysikere ved Center de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), i samarbejde med forskere ved Tysklands Forschungszentrum Jülich (FZJ) og STMicroelectronics, har implementeret en ny materialeteknisk metode til at fremstille en lasermikrodisk i en anstrengt germanium-tin (GeSn) legering. De har demonstreret laserenheden med en gruppe IV -forbindelse, kompatibel med Silicon, opererer med ultra-lav tærskel og under kontinuerlig bølge-excitation.

Optisk datatransmission muliggør betydeligt højere datahastigheder og -intervaller end konventionelle elektroniske processer, mens du bruger mindre energi. I datacentre, optiske kabler med en længde på omkring 1 meter er derfor standard. I fremtiden, optiske løsninger vil være nødvendige for kortere afstande for at overføre data fra bord til bord eller chip til chip. En elektrisk pumpet laser, der er kompatibel med siliciumbaseret CMOS-teknologi, ville være ideel til at opnå meget høje datahastigheder.

GeSn -legeringer er lovende til at realisere lysemittere som lasere. Baseret udelukkende på halvlederelementer i gruppe IV, denne legering er kompatibel med silicium og kan integreres fuldt ud i CMOS -fremstillingskæden, meget brugt til at producere elektroniske chips til almindelige applikationer. I dag, hovedmetoden består i at indføre så meget tin som muligt i GeSn-legeringen (i intervallet 10-16%). Den opnåede forbindelse giver således direkte justering af båndstrukturen, som muliggør laseremission. Imidlertid, denne fremgangsmåde har store ulemper:På grund af gitterfejlen mellem germanium (anstrengt afslappet) substrat på silicium og de Sn-rige GeSn-legeringer, et meget tæt dislokationsfejl netværk er dannet ved grænsefladen. Det kræver således ekstremt høje tætheder af strømpumpning (hundredvis af kW/cm ² ved kryogen temperatur) for at nå laseremissionsregimet.

Ved hjælp af en anden tilgang baseret på specifik materialeteknik, fysikerne opnåede en laseremission i en mikrodisk af GeSn -legering fuldt indkapslet af et stressorlag lavet af dielektrisk siliciumnitrid (SiN _x ). Med denne enhed, de har for første gang demonstreret laseremissionen i legeringen i stand til at fungere under kontinuerlig bølge (cw) excitation. Lasereffekten opnås under cw og pulserende excitationer, med ultra-lave tærskler sammenlignet med den nuværende tekniske teknik. Deres resultater offentliggøres i Natur fotonik .

Denne enhed bruger et 300 nm tykt GeSn-lag med et tinindhold på så lavt som 5,4%, som blev indkapslet af et SiN _x stressorlag til frembringelse af en trækbelastning af gitteret. Det voksende legeringslag er i første omgang en indirekte båndgab halvleder, der ikke understøtter lasereffekten og er en meget dårlig emitter. Forskerne viser, at det kan omdannes til en virkelig direkte band-gap-halvleder, der kan understøtte lasereffekten, og bliver dermed en effektiv udsender, ved at påføre trækbelastningen på den. Derudover trækbelastningen giver en lav densitet af tilstande ved valensbåndets kant, som er lyshulbåndet, således muliggør reduktion af det nødvendige excitationsniveau for at nå laseraktion. Takket være den lave koncentration af tin, dislokationsnetværket er mindre tæt, og kan lettere behandles. Et specifikt design af mikrodiskhulrum blev udviklet for at tillade overførsel af høj belastning fra stresslag til det aktive område, fjerne grænsefladefejl, og forbedret termisk afkøling af det aktive område.

Med denne enhed, forskerne demonstrerer for første gang kontinuerlig bølge (cw) lasning op til 70 K, mens pulserende lasning nås ved temperaturer op til 100 K. ² til nanosekundpulseret optisk excitation, og 1,1 kW/cm ² under cw optisk excitation. Da disse tærskler er 2 størrelsesordener lavere end rapporteret i litteraturen, resultaterne åbner en ny vej mod integrationen af ​​gruppe IV-laser på en Si-fotonisk platform.