Des chercheurs du C2N, en collaboration avec des chercheurs du Centre de recherche de Jülich (FZJ) et de STMicroelectronics, ont mis en œuvre une nouvelle méthode d’ingénierie du matériau pour fabriquer un microdisque laser en alliage Germanium-Etain (GeSn). Ils démontrent pour la première fois l'effet laser avec ce composé du groupe IV compatible avec le Silicium, fonctionnant en continu et avec un seuil ultra-bas, réduit de 2 ordres de grandeur, par rapport à l’existant.
Les alliages de Germanium et d’Etain (GeSn) sont prometteurs pour la réalisation d'émetteurs de lumière, tels que des lasers, avec l’avantage d’être basés sur des éléments semi-conducteurs du groupe IV. La compatibilité de ces composés avec le Silicium les rend entièrement intégrables aux procédés de fabrication CMOS des puces électroniques courantes. Actuellement, l’approche adoptée pour obtenir ces alliages GeSn consiste à introduire autant d’étain que possible dans le Germanium (jusqu’à 10 à 16%). Le composé obtenu comporte alors une structure de bande à alignement direct, qui rend possible l’émission de lumière laser, en principe, jusqu'à température ambiante. Cette approche présente cependant des inconvénients majeurs : du fait du fort désaccord de maille entre le pseudo-substrat de Germanium (relaxé) sur silicium et l’alliage GeSn, un réseau de dislocation très dense se forme au niveau de l’interface GeSn/Ge. Il faut alors une densité de puissance de pompage considérable (centaines de kW/cm² à température cryogénique) pour obtenir l’effet laser.
Grâce à une approche différente d’ingénierie du matériau, une équipe de chercheurs du C2N, en collaboration notamment avec le Centre de recherche de Jülich (Allemagne) et STMicroelectronics, a obtenu une émission laser dans un microdisque en alliage GeSn encapsulé par une couche contrainte de Nitrure de Silicium (SiNx). Les chercheurs démontrent ainsi pour la première fois l'effet laser avec cet alliage capable de fonctionner en régime continu. L’effet laser est obtenu sous excitation continue et en régime impulsionnel, avec des densités de seuils ultra-bas, réduits de 2 ordres de grandeurs, par rapport à l’état de l’art actuel. Ces résultats font l’objet d’une publication dans Nature Photonics.
Pour fabriquer ce dispositif, une couche de GeSn de 300 nm d’épaisseur avec une teneur en Etain de seulement 5,4 % a été encapsulée par une couche contrainte de SiNx qui produit une déformation en tension de la maille cristalline. L’alliage utilisé est initialement un semi-conducteur à bande interdite indirecte qui n’émet quasiment pas de lumière après croissance. Les chercheurs montrent qu’il a pu être transformé en un semi-conducteur à bande interdite directe en lui appliquant la contrainte mécanique en tension exercée par le SiNx, permettant ainsi d’obtenir l'effet laser. La contrainte en tension permet de réduire la densité d'états en bande de valence, et par conséquence contribue à réduire le seuil laser. Par ailleurs, du fait de la faible concentration en étain, les réseaux de dislocation apparaissent moins et sont plus simple à traiter. Une conception spécifique brevetée1 de cavités en microdisque a été développée pour permettre un transfert de contrainte élevé de la couche de SiNx vers la région active, pour éliminer les défauts d'interface et pour permettre une excellente dissipation de la chaleur.
Avec ce dispositif, les chercheurs démontrent pour la première fois l'effet laser avec l’alliage GeSn, jusqu'à 70 K en régime continu, et jusqu'à 100 K en régime impulsionnel. Les lasers fonctionnant à une longueur d'onde de 2.5 μm ont des seuils aussi bas que 0.8 kW/cm2 pour une excitation optique impulsionnelle nanoseconde, et 1.1 kW/cm2 sous excitation optique continue. Ces seuils sont 2 ordres de grandeur inférieurs à ceux rapportés dans la littérature pour le GeSn.
Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour fabriquer des sources laser à base de composés du groupe IV, entièrement intégrables sur une plateforme photonique silicium.
1 Brevet PCT/FR2017/052881 “Structure comprising a semiconductor strained layer on a heat sink”
- A lire aussi sur le site de l'Université Paris-Saclay : L’effet laser en régime continu démontré à partir d’un alliage de germanium-étain
Référence :
Ultra-low-threshold continuous-wave and pulsed lasing in tensile-strained GeSn alloys
Anas Elbaz1,2, Dan Buca3, Nils von den Driesch3,4, Konstantinos Pantzas1, Gilles Patriarche1, Nicolas Zerounian1, Etienne Herth1, Xavier Checoury1, Sebastien Sauvage1, Isabelle Sagnes1, Antonino Foti5, Razvigor Ossikovski5, Jean-Michel Hartmann6, Frederic Boeuf2, Zoran Ikonic7, Philippe Boucaud8, Detlev Grutzmacher3,4, & Moustafa El Kurdi1
Nature Photonics (2020)
DOI : https://doi.org/10.1038/s41566-020-0601-5
1 Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS, Université Paris-Saclay), Palaiseau
2 STMicroelectronics, Crolles, France
3 Forschungszentrum Juelich, Germany
4 RWTH Aachen, Germany
5 Laboratoire de Physique des interfaces et couches minces (LPICM), CNRS, Ecole Polytechnique, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France
6 CEA, LETI and Univ. Grenoble Alpes, France
7 University of Leeds, UK
8 CRHEA, Université Côte d’Azur, CNRS, Valbonne, France
Contact :
- Moustafa El Kurdi, Maître de conférences Université Paris-Saclay au C2N
Figure : Clichés en microscopie électronique : (à gauche) Une couche de GeSn est reportée sur un substrat silicium puis structurée en microdisque pour former une cavité optique. Lors du report, la couche défective dans le GeSn, qui se trouvait à l’interface avec le substrat Ge/Si a été retirée par gravure. Le report permet également d’insérer une couche contrainte en SiNx en dessous de la couche de GeSn. Une couche d’Aluminium a été utilisée pour maintenir la cavité tout en permettant une excellente dissipation thermique du dispositif laser vers le substrat. (à droite) Un dernier dépôt conforme de film contraint sur le microdisque permet d’obtenir une configuration ‘’tout entourée’’ du transfert de contrainte depuis le SiNx vers le GeSn. Celui-ci se trouve alors sous une déformation en tension à hauteur de 1.6% distribuée de manière très homogène dans son volume actif. Crédit : C2N / M. El Kurdi et al.
