Micrografias eletrônicas de varredura:(esquerda) Uma camada de GeSn é transferida para um substrato de silício e, em seguida, estruturada como um microdisco para formar uma cavidade óptica. Durante a transferência, a camada defeituosa no GeSn, que estava na interface com o substrato Ge / Si, foi removido por gravura. A transferência também torna possível inserir uma camada de SiNx estressada sob a camada de GeSn. Uma camada de alumínio foi usada para manter a cavidade, permitindo excelente resfriamento térmico do dispositivo a laser através do substrato. (direita) Uma deposição conformada final de um filme tenso no microdisco permite obter uma configuração "geral" da transferência de tensão do SiNx para o GeSn. O GeSn está então sob uma tensão de tração de 1,6% distribuído de forma muito homogênea em seu volume ativo. Crédito:C2N / M. El Kurdi &al.
Transistores em chips de computador funcionam eletricamente, mas os dados podem ser transmitidos mais rapidamente com luz. Os pesquisadores, portanto, há muito tempo procuram uma maneira de integrar um laser diretamente em chips de silício. Uma equipe de físicos do Center de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), em colaboração com pesquisadores da Forschungszentrum Jülich (FZJ) e STMicroelectronics da Alemanha, implementaram um novo método de engenharia de materiais para fabricar um microdisco a laser em uma liga de germânio-estanho (GeSn). Eles demonstraram o dispositivo a laser com um composto do grupo IV, compatível com silício, operando com limiar ultrabaixo e sob excitação de onda contínua.
A transmissão ótica de dados permite taxas e intervalos de dados significativamente maiores do que os processos eletrônicos convencionais, enquanto usa menos energia. Em data centers, cabos ópticos com um comprimento de cerca de 1 metro são, portanto, padrão. No futuro, soluções ópticas serão necessárias para distâncias mais curtas para transferir dados de placa para placa ou chip para chip. Um laser eletricamente bombeado compatível com a tecnologia CMOS baseada em silício seria ideal para atingir taxas de dados muito altas.
As ligas GeSn são promissoras para a geração de emissores de luz, como lasers. Baseado inteiramente em elementos semicondutores do grupo IV, esta liga é compatível com silício e pode ser totalmente integrada na cadeia de fabricação CMOS, amplamente utilizado para produzir chips eletrônicos para aplicações convencionais. Hoje, a abordagem principal consiste em introduzir o máximo de estanho possível na liga GeSn (na faixa de 10-16%). O composto obtido fornece, assim, o alinhamento direto da estrutura da banda, que permite a emissão do laser. Contudo, esta abordagem tem grandes desvantagens:Devido à incompatibilidade de rede entre o substrato de germânio (relaxado deformado) em silício e as ligas de GeSn ricas em Sn, uma rede de defeitos de deslocamento muito densa é formada na interface. Portanto, leva densidades extremamente altas de bombeamento de energia (centenas de kW / cm 2 temperatura criogênica) para atingir o regime de emissão do laser.
Imagens de microscopia eletrônica de varredura:A camada de germânio-estanho tem apenas alguns micrômetros de espessura e é aplicada a uma "camada estressora" feita de nitreto de silício e uma base de alumínio para dissipação de calor aprimorada (à esquerda) e então revestida com nitreto de silício (à direita). Orientar o composto de germânio-estanho ao longo das distâncias atômicas mais amplas na estrutura cristalina do nitreto de silício leva a tensões no material incorporado, o que acaba por causar amplificação óptica. Crédito:Forschungszentrum Jülich / Nils von den Driesch
Usando uma abordagem diferente com base na engenharia de materiais específicos, os físicos obtiveram uma emissão de laser em um microdisco de liga GeSn totalmente encapsulado por uma camada estressora feita de nitreto de silício dielétrico (SiN x ) Com este dispositivo, eles demonstraram pela primeira vez a emissão de laser na liga capaz de operar sob excitação de onda contínua (cw). O efeito do laser é alcançado sob excitações cw e pulsadas, com limiares ultrabaixo em comparação com o estado da arte atual. Seus resultados são publicados em Nature Photonics .
Este dispositivo usa uma camada GeSn de 300 nm de espessura com um conteúdo de estanho tão baixo quanto 5,4%, que foi encapsulado por um SiN x camada estressora para produzir uma tensão de tração da rede. A camada de liga à medida que cresce é inicialmente um semicondutor de gap indireto que não suporta o efeito do laser e é um emissor muito fraco. Os pesquisadores mostram que ele pode ser transformado em um semicondutor de gap verdadeiramente direto que pode suportar o efeito do laser, e assim se torna um emissor eficiente, aplicando a tensão de tração a ele. Adicionalmente, a tensão de tração fornece uma baixa densidade de estados na borda da banda de valência, que é a banda do orifício de luz, permitindo assim a redução do nível de excitação necessário para atingir a ação do laser. Graças à baixa concentração de estanho, a rede de deslocamentos é menos densa, e pode ser tratada mais facilmente. Um projeto específico de cavidade de microdisco foi desenvolvido para permitir a transferência de alta tensão da camada estressora para a região ativa, remova os defeitos da interface, e resfriamento térmico aprimorado da região ativa.
Com este dispositivo, os pesquisadores demonstram pela primeira vez a onda contínua (cw) com duração de até 70 K, enquanto o laser pulsado é alcançado em temperaturas de até 100 K. Lasers operando em um comprimento de onda de 2,5 μm têm limites ultra-reduzidos de 0,8 kW / cm
2
para excitação óptica pulsada em nanossegundos, e 1,1 kW / cm
2
sob excitação óptica cw. Uma vez que esses limites são 2 ordens de magnitude menores do que o relatado na literatura, os resultados abrem um novo caminho para a integração do laser do grupo IV em uma plataforma Si-fotônica.
