Il primo laser ad iniezione elettronica aumenta la velocità e l'efficienza nell'optoelettronica

un giorno fa p Antonio Anzaldua Jr. Quando pensiamo ai laser, possiamo ricordare scene direttamente da film di fantascienza. In realtà, i laser servono a molti scopi, ad esempio in dispositivi di rilevamento, lettori di codici a barre e comunicazioni ottiche.
Nel 1962, il primo laser a base di arsenico di gallio (GaAs) suscitò l'interesse per i laser in grado di spingere i limiti degli attuali processi dei semiconduttori. Ora, i ricercatori di scienze dei materiali dell'Università dell'Arkansas (UARK) hanno utilizzato germanio (Ge) e stagno (Sn) per creare il primo laser iniettato elettricamente, che potrebbe migliorare la velocità della microelaborazione e l'efficienza. Quando testato, il laser GeSn "ha funzionato in condizioni pulsate fino a 100 kelvin, o 279 gradi sotto zero Fahrenheit.
" I produttori possono utilizzare diverse strutture di semiconduttori a seconda della lunghezza d'onda del laser, della soglia, del funzionamento della temperatura, del consumo energetico e delle dimensioni dei dispositivi finali. Esistono due tipi di laser utilizzati per i semiconduttori: dispositivi laser pompati otticamente e dispositivi laser iniettati elettricamente. Per i laser a pompaggio ottico, il campo ottico può essere ben limitato poiché non c'è nient'altro che aria sopra lo strato di copertura della struttura.
Tuttavia, per i dispositivi laser iniettati elettricamente, che hanno un contatto metallico sopra lo strato del cappuccio, lo spessore dello strato del cappuccio del materiale deve essere accuratamente ottimizzato per ridurre al minimo la perdita ottica attraverso la sottile pellicola metallica. Il silicio, il germanio e le loro leghe sono stati materiali chiave per il progresso dell'industria elettronica, consentendo agli sviluppatori di migliorare i processi di fabbricazione dei semiconduttori. Le leghe GeSn del gruppo IV (Si) basate su Si offrono un intervallo di banda regolabile da indiretto a diretto, rendendole candidate utili per la fotonica su chip e la nanoelettronica.
I ricercatori di scienza dei materiali dell'Università dell'Arkansas (UARK), guidati dal professore di ingegneria elettrica Shui-Qing "Fisher" Yu, hanno dimostrato il primo laser iniettato elettricamente realizzato con stagno di germanio. Utilizzato come materiale semiconduttore per circuiti su dispositivi elettronici, il laser a diodi potrebbe migliorare la velocità e l'efficienza della microelaborazione a costi molto inferiori, secondo i ricercatori. Il professor Yu ha espresso il suo entusiasmo per la scoperta del suo team: "I nostri risultati sono un importante passo in avanti per i laser basati sul gruppo IV.
Potrebbero rappresentare la via promettente per l'integrazione laser su silicio e un passo importante verso il miglioramento significativo dei circuiti per l'elettronica. dispositivi." Il materiale potrebbe portare allo sviluppo di componenti elettronici a basso costo, leggeri, compatti e a basso consumo energetico che utilizzano la luce per la trasmissione e il rilevamento delle informazioni. Con un contenuto di Sn superiore all'8%, GeSn si trasforma in un materiale bandgap diretto, essenziale per un'efficace emissione di luce.
Inoltre, l'epitassia GeSn è monolitica su Si e completamente compatibile con i processi CMOS. Questo recente studio sui laser GeSn è attraente per i progettisti di circuiti perché suggerisce che la capacità di integrare una grande varietà di dispositivi (come amplificatori, interruttori a bassissima potenza e dispositivi optoelettronici) sullo stesso substrato di Si potrebbe essere dietro l'angolo. In un precedente articolo, il collaboratore di AAC Luke James ha discusso di come il silicio potrebbe non essere un candidato adatto per l'emissione di luce durante la fabbricazione dei chip.
A questo proposito, la fotonica del gruppo IV promette di ridurre il consumo di energia dei circuiti elettrici attraverso l'aggiunta di componenti ottici . Per trasferire le informazioni memorizzate elettricamente a un circuito ottico, un laser su chip è altamente desiderabile. Lo studio completato presso UARK ha dimostrato che l'aggiunta di un tampone SiGeSn può migliorare il confinamento del foro e migliorare la qualità del materiale.
Inoltre, questa tecnica di fabbricazione può ridurre al minimo i difetti dell'interfaccia e la rugosità della superficie in modo da ridurre le perdite ottiche interne. Per migliorare ulteriormente le prestazioni del dispositivo, sono in corso indagini su nuovi progetti di strutture. Questi esperimenti includono l'aumento del contenuto di Sn per aumentare l'immediatezza del bandgap in modo da aumentare l'efficienza di iniezione.
I laser ad iniezione elettronica come il laser GeSn sono più complicati da ottenere a causa della necessità di drogare e costruire strutture con celle solari. Molte strutture GeSn sono state studiate per applicazioni LED. I ricercatori mirano a trovare strati GeSn con bandgap diretto con una concentrazione di doping sufficiente per il doping di tipo n e p.
Tuttavia, la ricerca del professor Yu sul GeSn pompato otticamente per dispositivi bulk e micro-disco può portare a una piena operabilità, elettricamente laser GeSn iniettato. Immagine in primo piano utilizzata per gentile concessione di UARK.