I transistor nei chip dei computer funzionano elettricamente, ma i dati possono essere trasmessi più rapidamente con la luce. I ricercatori sono quindi alla ricerca di un modo per integrare un laser direttamente nei chip di silicio da molto tempo. Un team di fisici del Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N), in collaborazione con i ricercatori del Forschungszentrum Jülich (FZJ) e della STMicroelectronics tedeschi, hanno implementato un nuovo metodo di ingegneria dei materiali per fabbricare un microdisco laser in una lega di germanio-stagno (GeSn) tesa. Hanno dimostrato il dispositivo laser con un composto del gruppo IV, compatibile con silicio, funzionamento con soglia ultrabassa e sotto eccitazione ad onda continua.

La trasmissione ottica dei dati consente velocità e portate dati significativamente più elevate rispetto ai processi elettronici convenzionali, pur consumando meno energia. Nei data center, sono quindi standard i cavi ottici di una lunghezza di circa 1 metro. Nel futuro, saranno necessarie soluzioni ottiche per distanze più brevi per trasferire dati da scheda a scheda o da chip a chip. Un laser a pompaggio elettrico compatibile con la tecnologia CMOS a base di silicio sarebbe l'ideale per ottenere velocità di trasmissione dati molto elevate.

Le leghe GeSn sono promettenti per la realizzazione di emettitori di luce come i laser. Basato interamente su elementi semiconduttori del gruppo IV, questa lega è compatibile con il silicio e può essere completamente integrata nella catena di fabbricazione CMOS, ampiamente utilizzato per produrre chip elettronici per applicazioni tradizionali. Oggi, l'approccio principale consiste nell'introdurre quanto più stagno possibile nella lega GeSn (nell'ordine del 10-16%). Il composto ottenuto fornisce così l'allineamento diretto della struttura a bande, che consente l'emissione del laser. Però, questo approccio presenta importanti inconvenienti:a causa del disadattamento reticolare tra il substrato di germanio (deformato e rilassato) su silicio e le leghe di GeSn ricche di Sn, all'interfaccia si forma una rete di difetti di dislocazione molto densa. Occorrono quindi densità di pompaggio estremamente elevate (centinaia di kW/cm ² a temperatura criogenica) per raggiungere il regime di emissione laser.

Utilizzando un approccio diverso basato su una specifica ingegneria dei materiali, i fisici hanno ottenuto un'emissione laser in un microdisco di lega GeSn completamente incapsulato da uno strato stressor costituito da dielettrico Silicon Nitride (SiN _X ). Con questo dispositivo, hanno dimostrato per la prima volta l'emissione laser nella lega in grado di operare sotto eccitazione ad onda continua (cw). L'effetto laser viene raggiunto con eccitazioni cw e pulsate, con soglie ultra basse rispetto all'attuale stato dell'arte. I loro risultati sono pubblicati in Fotonica della natura .

Questo dispositivo utilizza uno strato GeSn di 300 nm di spessore con un contenuto di stagno fino al 5,4%, che è stato incapsulato da un SiN _X strato di stress per produrre una deformazione a trazione del reticolo. Lo strato di lega così come cresciuto è inizialmente un semiconduttore a banda proibita indiretto che non supporta l'effetto laser ed è un emettitore molto povero. I ricercatori dimostrano che può essere trasformato in un vero e proprio semiconduttore band-gap diretto in grado di supportare l'effetto laser, e diventa così un emettitore efficiente, applicandovi la tensione di trazione. Inoltre, la tensione di trazione fornisce una bassa densità di stati al bordo della banda di valenza, che è la banda del foro di luce, consentendo così la riduzione del livello di eccitazione richiesto per raggiungere l'azione del laser. Grazie alla bassa concentrazione di stagno, la rete di dislocazioni è meno densa, e può essere trattato più facilmente. È stato sviluppato un design specifico della cavità del microdisco per consentire il trasferimento di elevate sollecitazioni dallo strato di stress alla regione attiva, rimuovere i difetti di interfaccia, e un migliore raffreddamento termico della regione attiva.

Con questo dispositivo, i ricercatori dimostrano per la prima volta il laser a onda continua (cw) fino a 70 K, mentre il laser pulsato viene raggiunto a temperature fino a 100 K. I laser che operano a una lunghezza d'onda di 2,5 μm hanno soglie ultraridotte di 0,8 kW/cm ² per eccitazione ottica a impulsi di nanosecondi, e 1,1 kW/cm ² sotto eccitazione ottica cw. Poiché queste soglie sono inferiori di 2 ordini di grandezza rispetto a quanto riportato in letteratura, i risultati aprono una nuova strada verso l'integrazione del laser del gruppo IV su una piattaforma Si-fotonica.