Laser GeSn sur silicium sous pompagae électrique – ELEGANTE

L’objectif du projet ELEGANTE est de démontrer un laser avec un alliage germanium-étain fonctionnant sous injection électrique et jusqu’à la température ambiante. Un tel laser utilisant des matériaux de la colonne IV avec une bande interdite directe constituerait un élément de rupture pour la photonique silicium et le développement de circuits photoniques intégrés.
La réalisation d’une source laser intégrée monolithiquement sur substrat silicium représente toujours un défi considérable pour la photonique silicium et les applications de type More than Moore. La plus grande difficulté est liée à la nature indirecte de la bande interdite du Si et du Ge. Cette bande indirecte empêche d'obtenir du gain optique à des densités de courant compatibles avec l'intégration. L'émission laser sur silicium a donc jusqu'à présent été obtenue avec l'utilisation de matériaux avec une bande interdite directe comme les semi-conducteurs III-V qui sont alors connectés à une plate-forme photonique silicium par couplage externe ou par collage de substrats ou de vignettes. Cette approche hybride augmente la complexité de la fabrication car il faut gérer/processer à la fois des matériaux III-V et des matériaux de la colonne IV. Une source laser intégrée monolithiquement et faite à partir d’éléments de la colonne IV serait au contraire pleinement compatible avec l’environnement CMOS et à même de modifier l’architecture, le dessin et in fine les coûts de production en photonique silicium.
La meilleure option pour réaliser un laser de la colonne IV avec des performances compatibles avec l’intégration est donc l’utilisation de semi-conducteurs directs. Cette bande directe peut être obtenue par ingénierie de contrainte, en réalisant des alliages germanium étain, ou par la combinaison des deux. Dans ce projet, nous allons fabriquer des alliages GeSn à bande interdite directe sur substrat silicium et démontrer un effet laser sous injection électrique avec l’objectif d’avoir un laser à température ambiante. Une telle démonstration n’a jamais été rapportée, seul un effet laser sous pompage optique et à basse température ayant été démontré. Nous avons commencé à travailler sur le projet et démontré un premier laser GeSn début 2017, un marqueur des perspectives ouvertes par ce projet. Nous espérons aller au delà de l’état de l’art avec une cible de courant de seuil de 10 kA cm-2 en utilisant des hétérostructures à puits quantiques au lieu du matériau massif, l’injection électrique au lieu du pompage optique, l’ingénierie de contrainte pour minimiser la composition en étain pour avoir une bande interdite directe et des écarts d’énergie entre vallées de conduction suffisamment élevés, et des temps de vie non-radiatifs plus élevés grâce à une optimisation du matériau. Nous évaluerons le potentiel de ces lasers dont l’émission est attendue entre 1.7 et 4 µm pour des applications en datacom et de senseurs.
Nous proposerons des stratégies d’intégration compatibles avec les lignes de production de notre partenaire industriel (STMicroelectronics). Cette proposition rassemble les principaux acteurs impliqués en France dans le développement de sources à partir d’éléments de la colonne IV. Nous développerons pour la première fois en France la croissance et le process d’alliages germanium étain et nous fournirons du matériau de haute qualité épitaxié par dépôt chimique en phase vapeur. Ce sujet est très compétitif au vu des nombreux groupes impliqués dans le développement de tels lasers et des conférences qui y sont consacrées. Le financement par l’ANR permettra de lancer cette nouvelle activité en France, renforcera les interactions et partenariats entre les groupes et nous permettra de rester à l’avant-garde des travaux dans ce domaine. La question de savoir si un laser de la colonne IV peut être compétitif est d’une importance cruciale pour notre partenaire industriel et la feuille de route du développement de la photonique silicium.