Des microdisques de germanium-étain encapsulés par du nitrure de silicium et reportés sur des piliers en aluminium génèrent sous pompage optique un rayonnement laser à 2,5 microns, avec un seuil ultra-bas. Le laser sans matériaux III-V n'est plus une utopie… Des résultats publiés dans Nature Photonics.
- Depuis le début des années 60, les matériaux III-V, arséniure de gallium et phosphure d'indium en tête, règnent sans partage sur le monde de l'émission laser. Toutefois, une brèche a été ouverte en 2015 avec l'obtention d'un effet laser à partir de germanium-étain (GeSn). Les semiconducteurs IV-IV, plus abondants et bien moins chers que les III-V, seraient donc susceptibles de les remplacer avantageusement.
- C'est cette voie prometteuse du GeSn que le CEA-Leti explore avec des équipes françaises et allemandes.* Et leur dispositif, publié récemment dans Nature Photonics, confirme la démonstration de 2015. Il émet sous pompage optique continu ou pulsé un rayonnement laser à 2,5 microns, avec un seuil de déclenchement ultra-bas : 1,1 kW cm-2.
Notre objectif ultime est de disposer de lasers IV-IV opérant le moyen infrarouge » précise Jean-Michel Hartman, chercheur au CEA-Leti.
Objectif : émettre à l'ambiante
- L'élaboration du dispositif commence par le dépôt sur un substrat silicium de germanium (Ge), puis de GeSn. Ce dernier est un semiconducteur à bande interdite indirecte, inapte à émettre de la lumière en raison de sa concentration assez faible en étain (5%). Mais son encapsulation dans du silicium sous tension change drastiquement sa structure de bande interdite. L'émission laser devient possible.
- Pour dissiper localement la chaleur, le GeSn encapsulé est reporté sur des piliers en aluminium. Le dispositif complet ressemble ainsi à une table ovale posée sur des pieds. Il émet pour l'instant à des températures de 70 K en pompage continu, ou jusqu'à 100 K en pompage pulsé. Les chercheurs souhaitent progresser jusqu'au fonctionnement à la température ambiante (300K). Ils poursuivent leurs travaux dans le cadre du
projet ANR Elegante, qui s'achèvera fin 2021.
* STMicroelectronics, C2N-CNRS, Forschungs Zentrum Juelich