Micrografías electrónicas de barrido:(izquierda) Se transfiere una capa de GeSn a un sustrato de silicio y luego se estructura como un microdiscos para formar una cavidad óptica. Durante la transferencia, la capa defectuosa en el GeSn, que estaba en la interfaz con el sustrato Ge / Si, fue eliminado por grabado. La transferencia también permite insertar una capa de SiNx tensionada debajo de la capa de GeSn. Se usó una capa de aluminio para mantener la cavidad mientras se permitía un excelente enfriamiento térmico del dispositivo láser a través del sustrato. (derecha) Una deposición conformal final de una película deformada en el microdisco permite obtener una configuración "completa" de la transferencia de tensión del SiNx al GeSn. El GeSn se encuentra entonces bajo una tensión de tracción del 1,6% distribuida de manera muy homogénea en su volumen activo. Crédito:C2N / M. El Kurdi &al.
Los transistores en chips de computadora funcionan eléctricamente, pero los datos se pueden transmitir más rápidamente con la luz. Por lo tanto, los investigadores han estado buscando una forma de integrar un láser directamente en chips de silicio durante mucho tiempo. Un equipo de físicos del Centre de Nanociences et de Nanotechnologies (C2N), en colaboración con investigadores de Forschungszentrum Jülich (FZJ) y STMicroelectronics de Alemania, han implementado un nuevo método de ingeniería de materiales para fabricar un microdisco láser en una aleación de germanio-estaño (GeSn) tensada. Han demostrado el dispositivo láser con un compuesto del grupo IV, compatible con Silicon, operando con umbral ultra bajo y bajo excitación de onda continua.
La transmisión de datos ópticos permite velocidades y rangos de datos significativamente más altos que los procesos electrónicos convencionales, mientras usa menos energía. En los centros de datos, Por lo tanto, los cables ópticos de una longitud aproximada de 1 metro son estándar. En el futuro, Se requerirán soluciones ópticas para distancias más cortas para transferir datos de placa a placa o de chip a chip. Un láser de bombeo eléctrico que sea compatible con la tecnología CMOS basada en silicio sería ideal para lograr velocidades de datos muy altas.
Las aleaciones GeSn son prometedoras para la realización de emisores de luz como los láseres. Basado completamente en elementos semiconductores del grupo IV, esta aleación es compatible con el silicio y se puede integrar completamente en la cadena de fabricación CMOS, ampliamente utilizado para producir chips electrónicos para aplicaciones convencionales. Hoy dia, el enfoque principal consiste en introducir tanto estaño como sea posible en la aleación GeSn (en el rango de 10-16%). El compuesto obtenido proporciona así una alineación directa de la estructura de la banda, que habilita la emisión láser. Sin embargo, Este enfoque tiene importantes inconvenientes:debido a la falta de coincidencia de la red entre el sustrato de germanio (tensado relajado) sobre silicio y las aleaciones GeSn ricas en Sn, Se forma una red de defectos de dislocación muy densa en la interfaz. Por lo tanto, requiere densidades de bombeo de potencia extremadamente altas (cientos de kW / cm 2 a temperatura criogénica) para alcanzar el régimen de emisión láser.
Imágenes de microscopía electrónica de barrido:La capa de germanio-estaño tiene solo unos pocos micrómetros de espesor y se aplica a una "capa de estrés" hecha de nitruro de silicio y una base de aluminio para mejorar la disipación del calor (izquierda) y luego se recubre con nitruro de silicio (derecha). La orientación del compuesto de germanio y estaño a lo largo de distancias atómicas más amplias en la red cristalina del nitruro de silicio conduce a tensiones en el material incrustado, que finalmente causan amplificación óptica. Crédito:Forschungszentrum Jülich / Nils von den Driesch
Usando un enfoque diferente basado en ingeniería de materiales específicos, Los físicos obtuvieron una emisión láser en un microdiscos de aleación GeSn completamente encapsulado por una capa de estrés hecha de nitruro de silicio dieléctrico (SiN X ). Con este dispositivo, han demostrado por primera vez la emisión de láser en la aleación capaz de operar bajo excitación de onda continua (cw). El efecto láser se alcanza bajo excitación cw y pulsada, con umbrales ultrabajos en comparación con el estado actual de la técnica. Sus resultados se publican en Fotónica de la naturaleza .
Este dispositivo utiliza una capa GeSn de 300 nm de espesor con un contenido de estaño tan bajo como 5.4%, que fue encapsulado por un SiN X capa de estrés para producir una deformación por tracción de la celosía. La capa de aleación a medida que crece es inicialmente un semiconductor de banda prohibida indirecta que no soporta el efecto láser y es un emisor muy pobre. Los investigadores muestran que se puede transformar en un semiconductor de banda prohibida verdaderamente directo que puede soportar el efecto láser. y así se convierte en un emisor eficiente, aplicándole la tensión de tracción. Adicionalmente, la deformación por tracción produce una baja densidad de estados en el borde de la banda de valencia, cuál es la banda del agujero de luz, permitiendo así la reducción del nivel de excitación requerido para alcanzar la acción del láser. Gracias a la baja concentración de estaño, la red de dislocaciones es menos densa, y se puede tratar más fácilmente. Se desarrolló un diseño de cavidad de microdiscos específico para permitir una alta transferencia de deformación desde la capa de estrés a la región activa. eliminar los defectos de la interfaz, y enfriamiento térmico mejorado de la región activa.
Con este dispositivo, los investigadores demuestran por primera vez ondas continuas (cw) que duran hasta 70 K, mientras que el láser pulsado se alcanza a temperaturas de hasta 100 K. Los láseres que operan a una longitud de onda de 2,5 μm tienen umbrales ultra reducidos de 0,8 kW / cm
2
para excitación óptica pulsada en nanosegundos, y 1,1 kW / cm
2
bajo excitación óptica cw. Dado que estos umbrales son 2 órdenes de magnitud más bajos que los reportados en la literatura, Los resultados abren un nuevo camino hacia la integración del láser del grupo IV en una plataforma Si-fotónica.
