Specjalny stop krzemu i germanu kryje obietnicę dla komunikacji optycznej
Od ponad 50 lat przemysł elektroniczny opiera się na krzemie. Krzem, german i ich stopy, takie jak SiGe, mają wspólną strukturę krystaliczną, przez którą są niewydajne w emisji światła. Ograniczenie to miało silny wpływ na rozwój branży półprzewodników. W rezultacie podzieliła się ona w dwa odrębne obszary. Z jednej strony, przemysł elektroniczny opiera się na krzemie, który sprawdza się doskonale w zaawansowanym przetwarzaniu elektronicznym, ale nie jest w stanie zapewnić źródła światła do komunikacji. Z drugiej, przemysł telekomunikacyjny jest zależny od półprzewodników z grup III–V, które doskonale emitują światło, ale nie radzą sobie z zaawansowanym przetwarzaniem elektronicznym na tym samym chipie.
Od struktury sześciennej do heksagonalnej
Ważnym przełomem w technologii krzemowej, zapoczątkowanym przez zespół finansowanego ze środków UE projekctu Opto silicon(odnośnik otworzy się w nowym oknie), było opracowanie hex-SiGe, (heksagonalnego SiGe), nowego materiału, który jest w stanie skutecznie emitować światło. W odróżnieniu od tradycyjnego SiGe, którego atomy są ułożone w strukturze sześciennej i nie radzą sobie z emisją światła, hex-SiGe jest półprzewodnikiem o bezpośrednim paśmie wzbronionym, idealnym do zastosowań optoelektronicznych. Wprowadza to nowe, krytyczne możliwości do technologii krzemowych, takie jak generowanie światła dla diod LED i laserów, wzmacnianie światła w systemach optycznych i wykrywanie światła z wysoką skutecznością.
Potencjał SiGe w urządzeniach świetlnych i laserowych
Jednym z kluczowych kamieni milowych było zademonstrowanie pierwszych studni kwantowych hex-Ge/SiGe — maleńkich warstw materiału, które mogą wychwytywać i kontrolować światło — z ostrymi, czystymi granicami międzyfazowymi. Zespół zaobserwował wyraźne dowody na zamknięcie nośników, co oznacza, że materiał może skutecznie kontrolować ruch elektronów i dziur, co jest podstawą do tworzenia wydajnych urządzeń emitujących światło. Badacze potwierdzili również dopasowanie pasma typu I, czyli właściwość, która czyni te studnie kwantowe idealnymi do tworzenia laserów i źródeł pojedynczych fotonów z kropek kwantowych. „Wykazaliśmy, że studnie kwantowe hex-SiGe mogą emitować światło z nanosekundowym czasem życia promieniowania, co pokazuje, że materiał ten jest wysoce wydajny w przekształcaniu energii w światło” — zauważa koordynator projektu Jos Haverkort. „Dzięki precyzyjnemu dostrojeniu składu stopów hex-SiGe, byliśmy w stanie dostosować długość fali emisji do zaledwie 1,55 µm w bardzo niskich temperaturach (4K), co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z poprzednim 1,8 µm”. Kolejnym przełomem była obserwacja liniowego wzrostu ograniczonych modów światła w zawieszonym nanodrucie. Odkrycie to dostarczyło wyraźnych dowodów na stymulowaną emisję, czyli właściwość o krytycznym znaczeniu dla tworzenia laserów wykorzystujących hex-SiGe. „Zmierzyliśmy imponujące wzmocnienie optyczne na poziomie 545 cm^-1 w hex-SiGe, co świadczy o jego silnym potencjale do wzmacniania światła. Badaliśmy również, jak nośniki tracą energię w procesie zwanym chłodzeniem nośnika” — stwierdza Haverkort. „W odróżnieniu od innych materiałów w hex-SiGe nie występują polarne interakcje fononów optycznych, co zazwyczaj spowalnia wspomniany proces chłodzenia. Co ciekawe, czas chłodzenia nośnika w materiale okazał się porównywalny z czasem chłodzenia struktur laserowych InGaAs/InP”.
Zmniejszanie defektów kryształów
Ponieważ hex-SiGe istnieje w metastabilnej fazie krystalicznej, zespół zmierzył się również z wyzwaniami związanymi z uskokami stosu I3 — cienkimi warstwami sześciennego SiGe czasami tworzącymi się w krysztale heksagonalnym. Zespół znacznie poszerzył wiedzę na temat tych uskoków i opracował metody zmniejszania ich gęstości.
Urządzenia optoelektroniczne nowej generacji
Zespół projektu Opto Silicon poczynił znaczące postępy w integracji hex-SiGe na platformach krzem na izolatorze, ale wciąż jest jeszcze dużo do zrobienia, aby w pełni rozwinąć tę technologię. Naukowcy będą kontynuować prace w ramach projektu Bright Chips, który jest nastawiony na rozwój technik wzrostu i osiągnięcie płynnej integracji planarnej hex-SiGe.
