Vers un laser germanium fonctionnant à température ambiante
Publié par Redbran le 13/12/2019 à 08:00
Source: CEA IRIG

© CEA-IRIG
Après avoir obtenu une émission laser en infrarouge moyen à 230 K dans une nanostructure en alliage germanium-étain, des chercheurs réussissent dans cette nouvelle étude à obtenir une émission laser sur une très large gamme de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot...) et à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations...) de fonctionnement atteignant 273 K.

La photonique sur silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) est considérée comme un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une...) majeur pour la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications, nouvelles...) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) optiques, le traitement du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les...) et les applications de détection. La fabrication de circuits photoniques repose sur des procédés et des protocoles similaires à la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) CMOS ( complementary metal-oxide-semiconductor) et se limite donc à un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) bien défini de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), de préférence de la colonne atomique du groupe IV, comme le silicium. Cependant, l'élément clef (Au sens propre, la clef ou clé (les deux orthographes sont correctes) est un dispositif amovible permettant d'actionner un mécanisme.), une source laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de...) à commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) électrique entièrement intégrée sur Si, fait toujours défaut alors qu'il représente un intérêt à long terme dans le domaine de la Si-photonique. Le germanium, grâce entre autres à sa compatibilité CMOS est un excellent candidat.

Les sources de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...) totalement intégrées en microélectronique sont les briques manquantes de la photonique sur silicium. Le silicium, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme le germanium, ne sont pas bien adaptés à l'émission de lumière dans leur forme naturelle, du fait de la nature indirecte de leur gap. Cependant, le germanium a longtemps été considéré comme un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison...) laser prometteur pour l'optoélectronique à base de silicium du fait de sa compatibilité avec les procédés industriels de type CMOS. Sa structure de bande peut être rendue favorable c'est-à-dire "directe" (propriété indispensable pour les lasers à semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un...) interbande) car elle peut être accordée par déformation de la maille du Si ou en l'alliant avec un autre élément comme le Sn.

Une équipe de chercheurs de l'Irig, en collaboration avec le Département Optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) et Photonique et le Département Plate-Forme technologique du CEA-Leti, avait précédemment obtenu une émission laser en infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.) moyen (2,7 à 3,2 µm) à 230 K, dans une nanostructure en alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) germanium-étain (GeSn) [1]. Ce premier résultat ouvrait donc la voie à des sources photoniques intégrables sur puce silicium. Dans une nouvelle étude menée en collaboration avec l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Paul Scherrer (PSI) en Suisse [2], ils ont été en mesure d'obtenir une émission laser en utilisant la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est...) approche à partir de germanium pur mais très fortement déformé. Finalement, en combinant ces deux approches, c'est-à-dire en déformant la zone active du microlasers en GeSn, les chercheurs grenoblois ont réussi à obtenir une émission laser sur une très large gamme de fréquence et à une température de fonctionnement atteignant 273 K, à quelques encablures de la température ambiante [3]. La difficulté majeure de cette ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou...) de bandes, consiste à réaliser un alliage riche en étain tout en préservant sa haute qualité cristalline (pas de défaut cristallins qui annihileraient l'effet laser), ainsi qu'à pouvoir appliquer une forte contrainte sur la zone pour obtenir une émission laser accordable. Grâce au développement d'un nouveau procédé de nanofabrication développé depuis plusieurs années, les chercheurs ont réussi à obtenir un alliage intégrant jusqu'à 16 % d'étain et montrant un caractère gap direct bien marqué.

Avec ce premier résultat à 273 K, l'équipe est déjà bien au-delà des 90 K obtenus en 2015 par les pionniers du laser GeSn. L'objectif maintenant est d'optimiser le système pour tendre vers un fonctionnement à température ambiante pour le rendre utilisable sur des applications photonique.


Image MEB d'un microlaser en GeSn avec contrôle de la déformation uniaxiale dans la zone active. Le dispositif, entièrement suspendu, comporte deux bras tenseurs de germanium tirant sur une zone centrale en GeSn. Sur cette zone, on distingue les aires (Aires (en espagnol, les airs) est une compagnie aérienne intérieure de Colombie.) d'ancrage aux bras localisées de part et d'autre du plot de GeSn. La zone du GeSn est située entièrement dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est...) (on y trouve le résonateur). Cette zone se compose d'un guide d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle...) (pont) et de deux miroirs assurant le renvoi de la lumière.
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En physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la nature ;...) des semi-conducteurs, la bande interdite (bandgap) est l'intervalle d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) où il n'y a pas d'états électroniques autorisés. Elle est délimitée en haut par l'état de conduction d'énergie le plus bas et en bas par l'état de valence d'énergie le plus haut. La relaxation d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un...) excité à travers cette bande interdite entraîne l'émission de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit...).

L'optoélectronique est à la fois une branche de l'électronique et de la photonique. Elle concerne l'étude des composants électroniques, appelés aussi composants photoniques, qui émettent ou interagissent avec la lumière.

En physique de l'état solide, la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée...) des bandes prédit les états autorisés des électrons dans les cristaux, avec un potentiel périodique. Contrairement aux atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre....) individuels avec des niveaux d'énergie discrets autorisés, les états électroniques dans un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition...) décrivent un continuum de solutions autorisées dans le plan vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut constituer un exemple de vecteur,...) d'onde-énergie, connu sous le nom de bandes. L'écartement des bandes d'énergie ainsi que le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) d'occupation électronique de ces bandes sont des facteurs clés qui séparent les cristaux entre isolants, métaux et semi-conducteurs.

Références:

[1] Thai QM, Pauc N, Aubin J, Bertrand M, Chrétien J, Delaye V, Chelnokov A, Hartmann JM, Reboud V and Calvo V. GeSn heterostructure micro-disk laser operating at 230 K. Optics Express (Express est un langage informatique servant à spécificier formellement des données. Il a fait l'objet d'une normalisation (ISO 10303-11).), 2018

[2] Pilon FTA, Lyasota A, Niquet YM, Reboud V, Calvo V, Pauc N, Widiez J, Bonzon C, Hartmann JM, Chelnokov A, Faist J and Sigg H. Lasing in strained germanium microbridges. Nature Communications, 2019

[3] Chrétien J, Pauc N, Pilon FA, Bertrand M, Thai QM, Casiez L, Bernier N, Dansas H, Gergaud P, Delamadeleine E, Khazaka R, Sigg H, Faist J, Chelnokov A, Reboud V, Hartmann JM and Calvo V. GeSn lasers covering a wide wavelength range thanks to uniaxial tensile strain. ACS Photonics, 2019
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