Transistorer i datorchips fungerar elektriskt, men data kan överföras snabbare med ljus. Forskare har därför letat efter ett sätt att integrera en laser direkt i kiselchips länge. Ett team av fysiker vid Center de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), i samarbete med forskare vid Tysklands Forschungszentrum Jülich (FZJ) och STMicroelectronics, har implementerat en ny materialteknisk metod för att tillverka en lasermikrodisk i en ansträngd legering av germanium-tenn (GeSn). De har demonstrerat laserenheten med en grupp IV -förening, kompatibel med Silicon, fungerar med ultralåg tröskel och under kontinuerlig våg excitation.

Optisk dataöverföring möjliggör betydligt högre datahastigheter och intervall än konventionella elektroniska processer, samtidigt som du använder mindre energi. I datacenter, optiska kablar med en längd på cirka 1 meter är därför standard. I framtiden, optiska lösningar kommer att krävas för kortare avstånd för att överföra data från kort till kort eller chip till chip. En elektriskt pumpad laser som är kompatibel med kiselbaserad CMOS-teknik skulle vara idealisk för att uppnå mycket höga datahastigheter.

GeSn -legeringar är lovande för att realisera ljusemitterare som lasrar. Baserat helt på halvledarelement från grupp IV, denna legering är kompatibel med kisel och kan integreras fullt ut i CMOS -tillverkningskedjan, används ofta för att producera elektroniska chips för vanliga applikationer. I dag, huvudmetoden består i att introducera så mycket tenn som möjligt i GeSn-legeringen (i intervallet 10-16%). Den erhållna föreningen ger således direkt inriktning av bandstrukturen, vilket möjliggör laseremission. Dock, detta tillvägagångssätt har stora nackdelar:På grund av att gallret inte matchar germanium (ansträngt avslappnat) substrat på kisel och de Sn-rika GeSn-legeringarna, ett mycket tätt dislokationsfel nätverk bildas vid gränssnittet. Det tar därför extremt höga densiteter för kraftpumpning (hundratals kW/cm ² vid kryogen temperatur) för att nå laseremissionsregimen.

Med ett annat tillvägagångssätt baserat på specifik materialteknik, fysikerna erhöll en laseremission i en mikrodisk av GeSn -legering helt inkapslad av ett stressorskikt av dielektrisk kiselnitrid (SiN _x ). Med den här enheten, de har för första gången visat laseremissionen i legeringen som kan fungera under kontinuerlig våg (cw) excitation. Lasereffekten uppnås under cw och pulsade excitationer, med extremt låga trösklar jämfört med nuvarande teknik. Deras resultat publiceras i Nature Photonics .

Denna enhet använder ett 300 nm tjockt GeSn-lager med ett tenninnehåll så lågt som 5,4%, som inkapslades av ett SiN _x stresslager för att producera en dragspänning av gitteret. Det växande legeringsskiktet är initialt en indirekt bandgap-halvledare som inte stöder lasereffekten och är en mycket dålig emitter. Forskarna visar att den kan omvandlas till en verkligt direkt bandgap-halvledare som kan stödja lasereffekten, och blir därmed en effektiv sändare, genom att applicera dragspänningen på den. Dessutom, dragspänningen ger en låg densitet av tillstånd vid valensbandets kant, vilket är ljushålsbandet, sålunda möjliggör minskning av erforderlig excitationsnivå för att nå laserverkan. Tack vare den låga koncentrationen av tenn, dislokationsnätverket är mindre tätt, och kan lättare behandlas. En specifik mikrodisk -kavitetsdesign utvecklades för att möjliggöra överföring av hög belastning från stressorskiktet till det aktiva området, ta bort gränssnittsfel, och förbättrad värmekylning av den aktiva regionen.

Med den här enheten, forskarna demonstrerar för första gången kontinuerlig våg (cw) lasning upp till 70 K, medan pulserande lasning uppnås vid temperaturer upp till 100 K. ² för nanosekundpulserad optisk excitation, och 1,1 kW/cm ² under cw optisk excitation. Eftersom dessa trösklar är 2 storleksordningar lägre än vad som rapporterats i litteraturen, resultaten öppnar en ny väg mot integration av grupp IV-laser på en Si-fotonisk plattform.