När det gäller mikroelektronik, det finns ett kemiskt element som inget annat:kisel, arbetshästen i transistortekniken som driver vårt informationssamhälle. De otaliga elektroniska enheterna vi använder i vardagen är ett bevis på hur man idag kan producera mycket stora volymer kiselbaserade komponenter till mycket låg kostnad. Det verkar naturligt, sedan, att använda kisel också inom andra områden där egenskaperna hos halvledare - som kisel är ett - utnyttjas tekniskt, och att utforska sätt att integrera olika funktioner. Av särskilt intresse i detta sammanhang är diodlasrar, såsom de som används i streckkodsläsare eller laserpekare, som vanligtvis är baserade på galliumarsenid (GaA). Tyvärr dock de fysiska processer som skapar ljus i GaAs fungerar inte så bra i kisel. Det är därför fortfarande en enastående, och länge mål att hitta en alternativ väg för att förverkliga en "laser på kisel."

Skriver idag i Tillämpad fysikbokstäver , ett internationellt team som leds av professorerna Giacomo Scalari och Jérôme Faist från Institute for Quantum Electronics är ett viktigt steg mot en sådan enhet. De rapporterar elektroluminisens-elektrisk ljusgenerering-från en halvledarstruktur baserad på kisel-germanium (SiGe), ett material som är kompatibelt med vanliga tillverkningsprocesser som används för kiselanordningar. Dessutom, emissionen de observerade är i terahertz -frekvensbandet, som sitter mellan mikrovågselektronik och infraröd optik, och är av högt aktuellt intresse med tanke på en mängd olika tillämpningar.

Få silikon att lysa

Den främsta anledningen till att kisel inte kan användas direkt för att bygga en laser efter GaAs -mallen har att göra med deras olika bandgap, som är direkt i det senare men indirekt i det förra. I ett nötskal, i GaAs rekombineras elektroner med hål över bandgapet som producerar ljus; i kisel, de producerar värme. Laserverkan i kisel kräver därför en annan väg. Och att utforska en ny metod är vad ETH -doktorandforskaren David Stark och hans kollegor gör. De arbetar mot en kiselbaserad kvantkaskadlaser (QCL). QCL uppnår ljusemission inte genom elektronhålsrekombination över bandgapet, men genom att låta elektroner tunnla genom upprepade staplar av exakt konstruerade halvledarkonstruktioner, under vilken process fotoner avges.

QCL -paradigmet har demonstrerats i ett antal material - för första gången 1994 av ett team inklusive Jérôme Faist, arbetade sedan på Bell Laboratories i USA-men aldrig i kiselbaserade, trots lovande förutsägelser. Att förverkliga dessa förutsägelser är i fokus för ett tvärvetenskapligt projekt som finansieras av Europeiska kommissionen, samman ett team av ledande experter på odling av högkvalitativa halvledarmaterial (vid Università Roma Tre), karakterisera dem (vid Leibniz-Institut für innovativ Mikroelektronik i Frankfurt an der Oder) och tillverka dem till enheter (vid University of Glasgow). ETH -gruppen Scalari och Faist ansvarar för att utföra mätningarna på enheterna, men också för laserns design, med numeriskt och teoretiskt stöd från partners i företaget nextnano i München och vid universiteten i Pisa och Rom.

Från elektroluminescens till lasning

Med denna samlade kunskap och expertis, teamet designade och byggde enheter med en enhetsstruktur gjord av SiGe och rent germanium (Ge), mindre än 100 nanometer i höjd, som upprepas 51 gånger. Från dessa heterostrukturer, tillverkad med väsentligen atomisk precision, Stark och medarbetare upptäckte elektroluminescens, som förutsagt, med de spektrala egenskaperna hos det framväxande ljuset som överensstämmer väl med beräkningar. Ytterligare förtroende för att enheterna fungerar som avsett kom från en jämförelse med en GaAs-baserad struktur som var tillverkad med identisk enhetsgeometri. Medan utsläppen från Ge/SiGe-strukturen fortfarande är betydligt lägre än för dess GaAs-baserade motsvarighet, dessa resultat signalerar tydligt att laget är på rätt väg. Nästa steg blir nu att montera liknande Ge/SiGe -strukturer enligt en laserdesign som teamet utvecklat. Det yttersta målet är att nå rumstemperaturdrift av ett kiselbaserat QCL.

En sådan prestation skulle vara betydande i flera avseenden. Inte bara skulle det, äntligen, realisera en laser på ett kiselsubstrat, och därmed öka kiselfotoniken. Utsläpp av strukturen skapad av Stark et al. är i terahertzregionen, för vilka det för närvarande saknas kompakta ljuskällor. Kiselbaserade QCL, med sin potentiella mångsidighet och minskade tillverkningskostnad, kan vara en välsignelse för storskalig användning av terahertz-strålning i befintliga och nya tillämpningsområden, från medicinsk bildbehandling till trådlös kommunikation.