Nøgletrin nået mod længe søgt mål med en siliciumbaseret laser

Når det kommer til mikroelektronik, der er ét kemisk grundstof som intet andet:silicium, arbejdshesten i den transistorteknologi, der driver vores informationssamfund. De utallige elektroniske enheder, vi bruger i hverdagen, er et vidnesbyrd om, hvordan meget store mængder af siliciumbaserede komponenter i dag kan produceres til meget lave omkostninger. Det virker naturligt, derefter, at anvende silicium også på andre områder, hvor egenskaberne af halvledere - da silicium er en - udnyttes teknologisk, og at udforske måder at integrere forskellige funktionaliteter på. Af særlig interesse i denne sammenhæng er diodelasere, såsom dem, der anvendes i stregkodescannere eller laserpointere, som typisk er baseret på galliumarsenid (GaAs). Desværre dog de fysiske processer, der skaber lys i GaAs, fungerer ikke så godt i silicium. Det er derfor fortsat en enestående, og langvarig, mål at finde en alternativ vej til at realisere en 'laser på silicium.'

Skriver i dag i Anvendt fysik bogstaver , et internationalt hold ledet af professorerne Giacomo Scalari og Jérôme Faist fra Institute for Quantum Electronics præsenterer et vigtigt skridt hen imod en sådan enhed. De rapporterer elektroluminescens - elektrisk lysgenerering - fra en halvlederstruktur baseret på silicium-germanium (SiGe), et materiale, der er kompatibelt med standardfremstillingsprocesser, der bruges til siliciumenheder. I øvrigt, den emission, de observerede, er i terahertz-frekvensbåndet, som ligger mellem mikrobølgeelektronik og infrarød optik, og er af høj aktuel interesse med henblik på en række forskellige anvendelser.

Få silicium til at skinne

Hovedårsagen til, at silicium ikke kan bruges direkte til at bygge en laser efter GaAs-skabelonen, har at gøre med den forskellige karakter af deres båndgab, som er direkte i sidstnævnte, men indirekte i førstnævnte. I en nøddeskal, i GaAs rekombinerer elektroner med huller på tværs af båndgabet og producerer lys; i silicium, de producerer varme. Laseraktion i silicium kræver derfor en anden vej. Og at udforske en frisk tilgang er, hvad ETH doktorgradsforsker David Stark og hans kolleger gør. De arbejder hen imod en siliciumbaseret kvantekaskadelaser (QCL). QCL'er opnår lysemission ikke ved elektron-hul-rekombination over båndgabet, men ved at lade elektroner tunnelere gennem gentagne stakke af præcist konstruerede halvlederstrukturer, under hvilken proces udsendes fotoner.

QCL-paradigmet er blevet demonstreret i en række materialer - for første gang i 1994 af et team, herunder Jérôme Faist, arbejdede derefter på Bell Laboratories i USA - men aldrig i siliciumbaserede, trods lovende forudsigelser. At omsætte disse forudsigelser til virkelighed er fokus for et tværfagligt projekt finansieret af Europa-Kommissionen, samler et team af førende eksperter i dyrkning af højkvalitets halvledermaterialer (ved Università Roma Tre), karakterisere dem (ved Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik i Frankfurt an der Oder) og fremstille dem til enheder (ved University of Glasgow). ETH-gruppen af ​​Scalari og Faist er ansvarlig for at udføre målingerne på enhederne, men også til design af laseren, med numerisk og teoretisk støtte fra partnere i virksomheden nextnano i München og ved universiteterne i Pisa og Rom.

Fra elektroluminescens til lasering

Med denne samlede viden og ekspertise, holdet designede og byggede enheder med en enhedsstruktur lavet af SiGe og rent germanium (Ge), mindre end 100 nanometer i højden, som gentages 51 gange. Fra disse heterostrukturer, fremstillet med i det væsentlige atomisk præcision, Stark og kolleger opdagede elektroluminescens, som forudsagt, med de spektrale træk ved det fremkommende lys, der stemmer godt overens med beregninger. Yderligere tillid til, at enhederne fungerer efter hensigten, kom fra en sammenligning med en GaAs-baseret struktur, der var fremstillet med identisk enhedsgeometri. Mens emissionen fra Ge/SiGe-strukturen stadig er væsentligt lavere end for dens GaAs-baserede modstykke, disse resultater signalerer tydeligt, at holdet er på rette vej. Det næste skridt bliver nu at samle lignende Ge/SiGe-strukturer i henhold til et laserdesign, som teamet udviklede. Det ultimative mål er at nå stuetemperaturdrift af en siliciumbaseret QCL.

En sådan præstation ville være væsentlig i flere henseender. Ikke alene ville det, endelig, realisere en laser på et siliciumsubstrat, derved bringe et løft til silicium fotonik. Emissionen af ​​strukturen skabt af Stark et al. er i terahertz-regionen, som i øjeblikket kompakte lyskilder i vid udstrækning mangler. Siliciumbaserede QCL'er, med deres potentielle alsidighed og reducerede fabrikationsomkostninger, kunne være en velsignelse for storstilet brug af terahertz-stråling i eksisterende og nye anvendelsesområder, fra medicinsk billedbehandling til trådløs kommunikation.