Les transistors dans les puces informatiques fonctionnent électriquement, mais les données peuvent être transmises plus rapidement avec la lumière. Les chercheurs cherchaient donc depuis longtemps un moyen d'intégrer un laser directement dans des puces de silicium. Une équipe de physiciens du Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), en collaboration avec des chercheurs du Forschungszentrum Jülich (FZJ) en Allemagne et de STMicroelectronics, ont mis en œuvre une nouvelle méthode d'ingénierie des matériaux pour fabriquer un microdisque laser dans un alliage germanium-étain (GeSn) contraint. Ils ont démontré le dispositif laser avec un composé du groupe IV, compatible avec le silicium, fonctionnant avec un seuil ultra-bas et sous excitation continue.

La transmission optique des données permet des débits et des portées de données nettement plus élevés que les processus électroniques conventionnels, tout en consommant moins d'énergie. Dans les centres de données, des câbles optiques d'une longueur d'environ 1 mètre sont donc standard. À l'avenir, des solutions optiques seront nécessaires pour les distances plus courtes afin de transférer les données d'une carte à l'autre ou d'une puce à l'autre. Un laser à pompage électrique compatible avec la technologie CMOS à base de silicium serait idéal pour atteindre des débits de données très élevés.

Les alliages GeSn sont prometteurs pour la réalisation d'émetteurs de lumière tels que les lasers. Basé entièrement sur des éléments semi-conducteurs du groupe IV, cet alliage est compatible avec le silicium et s'intègre parfaitement dans la chaîne de fabrication CMOS, largement utilisé pour produire des puces électroniques pour les applications grand public. Aujourd'hui, l'approche principale consiste à introduire le plus d'étain possible dans l'alliage GeSn (de l'ordre de 10-16%). Le composé obtenu permet ainsi un alignement direct de la structure de bande, qui permet l'émission laser. Cependant, cette approche présente des inconvénients majeurs :En raison du décalage de maille entre le substrat de germanium (détendu détendu) sur silicium et les alliages GeSn riches en Sn, un réseau de défauts de dislocation très dense se forme à l'interface. Il faut donc des densités de puissance de pompage extrêmement élevées (des centaines de kW/cm ² à température cryogénique) pour atteindre le régime d'émission laser.

En utilisant une approche différente basée sur l'ingénierie des matériaux spécifiques, les physiciens ont obtenu une émission laser dans un microdisque d'alliage GeSn entièrement encapsulé par une couche de stress en nitrure de silicium diélectrique (SiN X ). Avec cet appareil, ils ont démontré pour la première fois l'émission laser dans l'alliage capable de fonctionner sous excitation continue (cw). L'effet laser est atteint sous des excitations cw et pulsées, avec des seuils ultra bas par rapport à l'état de l'art actuel. Leurs résultats sont publiés dans Photonique de la nature .

Cet appareil utilise une couche GeSn de 300 nm d'épaisseur avec une teneur en étain aussi faible que 5,4%, qui a été encapsulé par un SiN X couche de stress pour produire une contrainte de traction du réseau. La couche d'alliage telle que développée est initialement un semi-conducteur à bande interdite indirecte qui ne supporte pas l'effet laser et est un très mauvais émetteur. Les chercheurs montrent qu'il peut être transformé en un semi-conducteur à bande interdite vraiment direct qui peut supporter l'effet laser, et devient ainsi un émetteur efficace, en lui appliquant la contrainte de traction. En outre, la déformation en traction délivre une faible densité d'états au bord de la bande de valence, qui est la bande de trous légers, permettant ainsi de réduire le niveau d'excitation requis pour atteindre l'action laser. Grâce à la faible concentration d'étain, le réseau de dislocations est moins dense, et peut être traité plus facilement. Une conception de cavité de microdisque spécifique a été développée pour permettre un transfert de contrainte élevé de la couche de stress à la région active, supprimer les défauts d'interface, et un refroidissement thermique amélioré de la région active.

Avec cet appareil, les chercheurs démontrent pour la première fois une onde continue (cw) pouvant atteindre 70 K, tandis que le laser pulsé est atteint à des températures allant jusqu'à 100 K. Les lasers fonctionnant à une longueur d'onde de 2,5 µm ont des seuils ultra-réduits de 0,8 kW/cm ² pour une excitation optique pulsée à la nanoseconde, et 1,1 kW/cm ² sous excitation optique cw. Étant donné que ces seuils sont inférieurs de 2 ordres de grandeur à ceux rapportés dans la littérature, les résultats ouvrent une nouvelle voie vers l'intégration du laser du groupe IV sur une plate-forme Si-photonique.