Une équipe du C2N, en collaboration avec le CEA Grenoble (LETI et IRIG) et STMicroelectronics, présente le premier laser à température ambiante avec GeSn, un semi-conducteur du groupe IV compatible avec la fabrication du silicium. Ce résultat majeur vient de faire l’objet d’une publication dans la revue Optics Express.
Les alliages GeSn sont les semi-conducteurs à bande interdite directe les plus prometteurs pour démontrer l'intégration d'un laser dans une chaîne complète de fabrication CMOS de l’industrie des semiconducteurs silicium. Une étape importante vers les applications réelles est la capacité de fonctionner à température ambiante (RT). Jusqu'à présent, les températures les plus élevées atteintes pour le fonctionnement d'un laser avec du GeSn étaient de 273 K pour des densités de seuil de puissance prohibitives, de plusieurs MW/cm2. Ici, nous montrons pour la première fois que l'effet laser à température ambiante et au-delà, jusqu'à 300 K, peut être obtenu avec les alliages GeSn. De plus les densités de seuil sont fortement réduits, de quelques centaines de kW/cm2. Ces résultats sont obtenus dans des résonateurs microdisques fabriqués sur une plateforme GeSn-On-Insulator qui combine l'ingénierie de la déformation avec une couche épaisse de GeSn à haute teneur en Sn. Comme détaillé précédemment dans une récente publication [1], les principaux atouts de cette technologie laser sont, premièrement, de permettre l'élimination des défauts d’interface, deuxièmement, d'améliorer le confinement optique dans la région de gain par rapport à l'approche conventionnelle basée sur des empilements de GeSn /Ge sur silicium. Troisièmement, le transfert de contrainte depuis l'isolant permet d'obtenir une structure de bande plus directe de l'alliage et de fait un gain plus robuste en température. Enfin, l'ensemble de la structure est fabriqué sur un dissipateur thermique en aluminium pour améliorer la dissipation de la chaleur depuis la zone de gain vers le substrat silicium.
Cette réalisation publiée dans Optics Express[2] ouvre la voie à une application réelle des lasers infrarouges moyens compatibles CMOS.
[1] B. Wang et. al. GeSnOI mid-infrared laser technology. Light Sci Appl 10, 232 (2021). https://doi.org/10.1038/s41377-021-00675-7
[2] A. Bjelajac et. al. Up to 300 K lasing with GeSn-On-Insulator microdisk resonators. Opt. Express 30, 3954-3961 (2022)
Up to 300 K lasing with GeSn-On-Insulator microdisk resonators
A. Bjelajac1, M. Gromovyi1, E. Sakat1, B. Wang1, G. Patriarche1, N. Pauc2, V. Calvo2, P. Boucaud3, F. Boeuf4, A. Chelnokov5, V. Reboud5, M. Frauenrath5, J.-M. Hartmann5, and M. El Kurdi1
Optics Express Vol. 30, Issue 3, pp. 3954-3961 (2022)
doi.org/10.1364/OE.449895
1Université Paris-Saclay, CNRS, C2N, 10 boulevard Thomas Gobert, 91120 Palaiseau, France
2Université Grenoble Alpes, CEA, IRIG-DePhy, 17 rue des Martyrs, 38000 Grenoble, France
3Université Côte d’Azur, CNRS, CRHEA, Rue Bernard Grégory, 06905 Sophia-Antipolis, France
4STMicroelectronics, Rue Jean Monnet, 38054 Crolles, France
5Université Grenoble Alpes, CEA, Leti, 17 rue des Martyrs, 38000 Grenoble, France
Figure : A gauche, l'image MEB d'un microrésonateur GeSn basé sur la plateforme GeSnOI récemment développée au C2N. L'émission de ces cavités, ici de 5 µm de diamètre montre un effet laser jusqu'à 300 K avec un seuil de 500 kW/cm2 sous pompage optique. La figure de droite montre une analyse détaillée des caractéristiques du laser à 298 K.
