Laser de la colonne IV basé sur le germanium dopé n contraint en tension – GRAAL

Croissance de Ge dopé par MOCVD, CVD ou MBE
Dopage laser
Transfert de contrrainte par croissance sur buffers relaxés
Transfert de contrainte par nitrure
Modélisation de la structure électronique et de l'émission proche infrarouge
Pompage optique et pompage électrique continu et impulsionnel

Laser germanium

Le projet GRAAL propose de développer une approche totalement novatrice pour démontrer une source laser sur silicium en utilisant le germanium pur, un élément de la colonne IV et un semi-conducteur à bande interdite indirecte, comme milieu à gain. Le germanium a un intérêt évident pour l'intégration en raison de sa compatibilité intrinsèque avec l'environnement microélectronique silicium. Le principal défi est de surmonter la limitation due à la bande interdite indirecte du germanium. Nous proposons de lever ce verrou en combinant le dopage de type n du germanium et l'application de contrainte en tension. Le dopage n apporte des porteurs pour remplir la vallée L et permet une injection plus efficace des porteurs dans la vallée Gamma de centre de zone où les porteurs peuvent se recombiner efficacement comme dans les matériaux III-V. La contrainte en tension réduit la différence d'énergie entre la vallée L et la vallée Gamma, lève la dégénérescence en bande de valence et peut même conduire à la formation d'un matériau à bande interdite directe. On s'attend à ce que la combinaison des deux effets conduise à des gains optiques significatifs à température ambiante et à la démonstration d'un laser. Nous développerons dans le projet différentes approches pour appliquer une contrainte en tension sur du germanium dopé n afin d'obtenir un gain optique suffisant qui conduira à la démonstration d'un laser germanium sous pompage optique dans un premier temps et d'un laser germanium sous pompage électrique dans un deuxième temps. Ce projet cherche à tirer avantage de plusieurs avancées récentes dans les études sur le germanium et sa reconnaissance comme un matériau potentiellement efficace pour l'émission de lumière. Des études effectuées notamment par les partenaires de ce consortium ont déjà rapporté l'émission à température ambiante du germanium liée à la bande interdite directe qui peut d'ailleurs être contrôlée par une déformation en tension. Des modélisations basées sur un formalisme multibande k.p ont montré qu'un gain optique significatif peut être obtenu avec du germanium contraint en tension. Le contrôle de l'émission du germanium à travers une contrainte mécanique externe, l'utilisation de stressors type Si3N4 ou la croissance sur des buffers relaxés InGaAs a récemment été démontré par l'Institut d'Electronique Fondamentale en collaboration avec le Laboratoire de Photonique et de Nanostructures. Ces approches permettent d'obtenir des déformations importantes du matériau. Stimulé par ces avancées, l'étude des lasers à base de germanium est devenu un sujet brûlant dans la communauté car il apporte un nouveau paradigme pour intégrer une source optique sur silicium, une approche qui n'était pas reconnue comme pertinente jusqu'à récemment. Aux Etats-Unis, un effort significatif est consacré à l'étude du germanium en particulier par le groupe du MIT de L. Kimerling. Un gain optique en régime continu dans du germanium contraint en tension et dopé a été rapporté en 2009 par le groupe du MIT. En 2010, la démonstration d'un laser germanium fonctionnant sous pompage optique pulsé à température ambiante a été rapportée par le même groupe. Pour démontrer et améliorer les performances de lasers à base de germanium fonctionnant à température ambiante, un consortium réunissant quatre laboratoires académiques a été rassemblé. Chaque partenaire est reconnu comme étant parmi les meilleurs groupes dans son domaine. Les quatre laboratoires impliqués dans le projet GRANT sont : Institut d'Electronique Fondamentale - Université Paris-Sud – CNRS (IEF), Laboratoire de Photonique et de Nanostructures - CNRS (LPN), Centre Interdisciplinaire de NAnosciences de Marseille - CNRS (CINAM), Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces – CNRS - Ecole polytechnique (LPICM).