Свет для кремниевой фотоники

Когда дело доходит до микроэлектроники, есть один непохожий на другие химический элемент: кремний, рабочая лошадка транзисторной технологии, которая движет нашим информационным обществом. Бесчисленные электронные устройства, которые мы используем в повседневной жизни, являются свидетельством того, как сегодня можно производить очень большие объемы компонентов на основе кремния с очень низкими затратами.

Поэтому кажется естественным использовать кремний и в других областях, где свойства полупроводников — как кремний — используются технологически, а также для изучения способов интеграции различных функций. Особый интерес в этом контексте представляют диодные лазеры, такие как те, что используются в сканерах штрих-кодов или лазерных указателях, которые обычно основаны на арсениде галлия (GaAs). К сожалению, физические процессы, создающие свет в GaAs, не так хорошо работают в кремнии. Таким образом, остается выдающейся и давней целью найти альтернативный путь к реализации «лазера на кремнии».

Международная группа под руководством профессоров Джакомо Скалари и Жерома Фаиста из Института квантовой электроники делает важный шаг на пути к созданию такого устройства. Они сообщают об электролюминесценции — генерации электрического света — из полупроводниковой структуры на основе кремний-германий (SiGe), материала, который совместим со стандартными процессами производства, используемыми для кремниевых устройств. Более того, наблюдаемое ими излучение находится в терагерцовом диапазоне частот, который находится между частотами микроволновой электроники и инфракрасной оптики, и представляет большой интерес для различных приложений.

Основная причина, по которой кремний не может быть использован непосредственно для создания лазера, следующего за шаблоном GaAs, связана с различной природой их запрещенных зон, которая прямая во втором и косвенная в первом. Короче говоря, в GaAs электроны рекомбинируют с дырками через запрещенную зону, производя свет; в кремнии они выделяют тепло. Следовательно, для воздействия лазера в кремнии необходим другой путь. А исследовать свежий подход — вот чем занимаются доктор-исследователь ETH Дэвид Старк и его коллеги. Они работают в направлении квантово-каскадного лазера (ККЛ) на основе кремния. ККЛ достигают излучения света не за счет электронно-дырочной рекомбинации через запрещенную зону, а за счет туннелирования электронов через повторяющиеся стопки точно спроектированных полупроводниковых структур, во время которых излучаются фотоны.

Парадигма QCL была продемонстрирована в ряде материалов — впервые в 1994 году группой, в которую входил Жером Фейст, тогда работавший в Bell Laboratories в США, — но никогда в материалах на основе кремния, несмотря на многообещающие прогнозы. Воплощение этих прогнозов в реальность — цель междисциплинарного проекта, финансируемого Европейской комиссией.,

Команда разработала и построила устройства с блочной структурой из SiGe и чистого германия (Ge), высотой менее 100 нанометров, что повторяется 51 раз. На этих гетероструктурах, изготовленных с атомарной точностью, Старк и его сотрудники обнаружили электролюминесценцию, как и предсказывалось, со спектральными характеристиками выходящего света, хорошо согласующимися с расчетами. Дальнейшая уверенность в том, что устройства работают так, как задумано, пришла из сравнения со структурой на основе GaAs, которая была изготовлена ​​с идентичной геометрией устройства. Несмотря на то, что излучение от структуры Ge / SiGe все еще значительно ниже, чем от ее аналога на основе GaAs, эти результаты ясно показывают, что команда находится на правильном пути. Следующим шагом будет сборка аналогичных структур Ge / SiGe в соответствии с лазерной конструкцией, разработанной командой. Конечная цель — достичь работы ККЛ на основе кремния при комнатной температуре.

	На главную
	Карта технологических направлений
	Подписаться в telegram
	Присоедениться ВКонтакте