Transistoren in computerchips werken elektrisch, maar gegevens kunnen sneller worden verzonden met licht. Onderzoekers zijn daarom al lang op zoek naar een manier om een ​​laser direct in siliciumchips te integreren. Een team van natuurkundigen van het Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), in samenwerking met onderzoekers van het Duitse Forschungszentrum Jülich (FZJ) en STMicroelectronics, hebben een nieuwe materiaaltechnische methode geïmplementeerd om een ​​lasermicroschijf te fabriceren in een gespannen germanium-tin (GeSn) legering. Ze hebben het laserapparaat gedemonstreerd met een verbinding van groep IV, compatibel met Silicium, werkend met ultra-lage drempel en onder continue golf excitatie.

Optische datatransmissie maakt aanzienlijk hogere datasnelheden en -bereiken mogelijk dan conventionele elektronische processen, terwijl je minder energie verbruikt. In datacenters, optische kabels met een lengte van ongeveer 1 meter zijn daarom standaard. In de toekomst, optische oplossingen zullen nodig zijn voor kortere afstanden om gegevens van bord naar bord of chip naar chip over te dragen. Een elektrisch gepompte laser die compatibel is met op silicium gebaseerde CMOS-technologie zou ideaal zijn om zeer hoge gegevenssnelheden te bereiken.

GeSn-legeringen zijn veelbelovend voor het realiseren van lichtstralers zoals lasers. Volledig gebaseerd op groep IV halfgeleiderelementen, deze legering is compatibel met silicium en kan volledig worden geïntegreerd in de CMOS-fabricageketen, veel gebruikt om elektronische chips te produceren voor reguliere toepassingen. Vandaag, de belangrijkste benadering bestaat erin zoveel mogelijk tin in de GeSn-legering te introduceren (in het bereik van 10-16%). De verkregen verbinding zorgt dus voor een directe uitlijning van de bandstructuur, die de laseremissie mogelijk maakt. Echter, deze benadering heeft grote nadelen:vanwege de roostermismatch tussen het germanium (gespannen ontspannen) substraat op silicium en de Sn-rijke GeSn-legeringen, een zeer dicht dislocatiedefectennetwerk wordt gevormd op het grensvlak. Er zijn dus extreem hoge pompdichtheden nodig (honderden kW/cm ² bij cryogene temperatuur) om het laseremissieregime te bereiken.

Met behulp van een andere aanpak op basis van specifieke materiaaltechnologie, de natuurkundigen verkregen een laseremissie in een microschijf van GeSn-legering volledig ingekapseld door een stressorlaag gemaakt van diëlektrisch siliciumnitride (SiN _x ). Met dit apparaat, ze hebben voor het eerst de laseremissie aangetoond in de legering die in staat is om te werken onder continue golf (cw) excitatie. Het lasereffect wordt bereikt onder cw en gepulseerde excitaties, met ultralage drempels in vergelijking met de huidige stand van de techniek. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Natuurfotonica .

Dit apparaat maakt gebruik van een 300 nm dikke GeSn-laag met een tingehalte van slechts 5,4%, die was ingekapseld door een SiN _x spanningslaag om een ​​trekspanning van het rooster te produceren. De as-grown legeringslaag is aanvankelijk een indirecte bandgap-halfgeleider die het lasereffect niet ondersteunt en een zeer slechte emitter is. De onderzoekers laten zien dat het kan worden omgezet in een echt directe band-gap halfgeleider die het lasereffect kan ondersteunen, en wordt zo een efficiënte emitter, door de trekspanning erop uit te oefenen. Aanvullend, de trekspanning levert een lage toestandsdichtheid aan de rand van de valentieband, dat is de lichtgatband, waardoor verlaging van het vereiste excitatieniveau mogelijk wordt om laseractie te bereiken. Dankzij de lage concentratie tin, het dislocatienetwerk is minder dicht, en kan gemakkelijker worden behandeld. Er is een specifiek microdisk-cavity-ontwerp ontwikkeld om overdracht van hoge spanning van de stressorlaag naar het actieve gebied mogelijk te maken, verwijder de interface-defecten, en verbeterde thermische koeling van het actieve gebied.

Met dit apparaat, de onderzoekers demonstreren voor het eerst continue golf (cw) laserstralen tot 70 K, terwijl pulserende laserwerking wordt bereikt bij temperaturen tot 100 K. Lasers die werken bij een golflengte van 2,5 m hebben ultra-gereduceerde drempels van 0,8 kW/cm ² voor nanoseconde-gepulste optische excitatie, en 1,1 kW/cm ² onder cw optische excitatie. Aangezien deze drempels 2 ordes van grootte lager zijn dan gerapporteerd in de literatuur, de resultaten openen een nieuwe weg naar de integratie van groep IV-laser op een Si-fotonisch platform.