Als het gaat om micro-elektronica, er is één chemisch element als geen ander:silicium, het werkpaard van de transistortechnologie die onze informatiemaatschappij aandrijft. De talloze elektronische apparaten die we in het dagelijks leven gebruiken, zijn een bewijs van hoe tegenwoordig zeer grote hoeveelheden op silicium gebaseerde componenten tegen zeer lage kosten kunnen worden geproduceerd. Het lijkt natuurlijk, dan, silicium ook te gebruiken in andere gebieden waar de eigenschappen van halfgeleiders - zoals silicium er een is - technologisch worden geëxploiteerd, en manieren te onderzoeken om verschillende functionaliteiten te integreren. Van bijzonder belang in deze context zijn diodelasers, zoals die gebruikt worden in barcodescanners of laserpointers, die typisch zijn gebaseerd op galliumarsenide (GaAs). Helaas echter, de fysieke processen die licht creëren in GaAs werken niet zo goed in silicium. Het blijft dan ook een uitstekende, en al lang doel om een ​​alternatieve route te vinden om een ​​'laser op silicium' te realiseren.

Vandaag schrijven in Technische Natuurkunde Brieven , een internationaal team onder leiding van professoren Giacomo Scalari en Jérôme Faist van het Institute for Quantum Electronics presenteert een belangrijke stap in de richting van een dergelijk apparaat. Ze rapporteren elektroluminescentie - elektrische lichtgeneratie - van een halfgeleiderstructuur op basis van siliciumgermanium (SiGe), een materiaal dat compatibel is met standaard fabricageprocessen die worden gebruikt voor siliciumapparaten. Bovendien, de emissie die ze waarnamen, ligt in de terahertz-frequentieband, die zit tussen die van microgolfelektronica en infraroodoptiek, en is van groot actueel belang met het oog op een verscheidenheid aan toepassingen.

Laat siliconen glanzen

De belangrijkste reden waarom silicium niet rechtstreeks kan worden gebruikt voor het bouwen van een laser volgens de GaAs-sjabloon heeft te maken met de verschillende aard van hun bandafstanden, wat direct is in het laatste, maar indirect in het eerste. In een notendop, in GaAs recombineren elektronen met gaten over de bandgap en produceren licht; in silicium, ze produceren warmte. Laseractie in silicium vereist daarom een ​​andere weg. En het verkennen van een frisse benadering is wat ETH-doctoraalonderzoeker David Stark en zijn collega's doen. Ze werken toe naar een op silicium gebaseerde kwantumcascadelaser (QCL). QCL's bereiken lichtemissie niet door elektron-gat-recombinatie over de bandgap, maar door elektronen door herhaalde stapels nauwkeurig ontworpen halfgeleiderstructuren te laten tunnelen, waarbij procesfotonen worden uitgezonden.

Het QCL-paradigma is in een aantal materialen gedemonstreerd - voor het eerst in 1994 door een team waaronder Jérôme Faist, werkte toen bij Bell Laboratories in de VS - maar nooit in op silicium gebaseerde, ondanks veelbelovende voorspellingen. Het omzetten van deze voorspellingen in realiteit is de focus van een interdisciplinair project gefinancierd door de Europese Commissie, het samenbrengen van een team van toonaangevende experts in het kweken van halfgeleidermaterialen van de hoogste kwaliteit (aan de Università Roma Tre), ze karakteriseren (aan het Leibniz-Institut für innovation Mikroelektronik in Frankfurt an der Oder) en ze in apparaten fabriceren (aan de Universiteit van Glasgow). De ETH-groep van Scalari en Faist is verantwoordelijk voor het uitvoeren van de metingen op de apparaten, maar ook voor het ontwerp van de laser, met numerieke en theoretische ondersteuning van partners in het bedrijf nextnano in München en aan de universiteiten van Pisa en Rome.

Van elektroluminescentie tot laseren

Met deze gebundelde kennis en expertise, het team ontwierp en bouwde apparaten met een eenheidsstructuur gemaakt van SiGe en puur germanium (Ge), minder dan 100 nanometer hoog, die zich 51 keer herhaalt. Van deze heterostructuren, vervaardigd met in wezen atomaire precisie, Stark en collega's ontdekten elektroluminescentie, als voorspeld, waarbij de spectrale kenmerken van het opkomende licht goed overeenkomen met berekeningen. Verder vertrouwen dat de apparaten werken zoals bedoeld, kwam uit een vergelijking met een op GaAs gebaseerde structuur die was gefabriceerd met identieke apparaatgeometrie. Terwijl de emissie van de Ge/SiGe-structuur nog steeds aanzienlijk lager is dan die van zijn op GaAs gebaseerde tegenhanger, deze resultaten geven duidelijk aan dat het team op de goede weg is. De volgende stap is nu om vergelijkbare Ge/SiGe-structuren te assembleren volgens een laserontwerp dat het team heeft ontwikkeld. Het uiteindelijke doel is om de werking van een op silicium gebaseerde QCL op kamertemperatuur te bereiken.

Een dergelijke prestatie zou in meerdere opzichten belangrijk zijn. Niet alleen zou het, eindelijk, een laser realiseren op een siliciumsubstraat, waardoor siliciumfotonica een boost krijgt. De emissie van de structuur gecreëerd door Stark et al. ligt in de regio terahertz, waarvoor momenteel compacte lichtbronnen op grote schaal ontbreken. Op silicium gebaseerde QCL's, met hun potentiële veelzijdigheid en lagere fabricagekosten, een zegen kan zijn voor het grootschalig gebruik van terahertzstraling in bestaande en nieuwe toepassingsgebieden, van medische beeldvorming tot draadloze communicatie.