Les sources de lumière totalement intégrées en microélectronique sont les briques manquantes de la photonique sur silicium. Le silicium, tout comme le germanium, ne sont pas bien adaptés à l’émission de lumière dans leur forme naturelle, du fait de la nature indirecte de leur gap. Cependant, les études théoriques prédisent qu’un alliage de germanium et d’étain (GeSn) permet de transformer la structure de bandes électroniques en gap direct pour des compositions supérieures à 8% en étain.
Des chercheurs de notre institut ont démontré l’émission laser de cavités optiques composées d’alliage GeSn structuré sous forme de micro-disque et de cristal photonique. Le matériau, qui contient jusqu’à 16% d’étain, est à gap direct et à gain optique dans la gamme du moyen infrarouge de 2,7 µm à 3,2 µm. Les chercheurs ont observé l’émission laser jusqu’à une température record de 230 K.
Ils développent actuellement des membranes de GeSn présentant des déformations élastiques de la maille cristalline. En jouant sur la déformation du cristal et la composition en étain de l’alliage, il sera possible d’accorder la longueur d’onde d’émission dans la gamme du moyen infrarouge. Cette approche ouvre de plus une voie prometteuse vers l’émission laser de GeSn à 300K et la réalisation avec ce matériau de sources monolithiques sur puce silicium.
Collaboration : CEA/DRT/LETI ; Paul Scherrer Institut (Suisse).
Ce projet a été soutenu par le projet Phare CEA « Photonique », et par le projet ANR ELEGANTE.
Lasers à microdisque et à cristal photonique en alliage GeSn (diamètre du disque : 10 µm, périodicité du cristal à photon : 1,4 µm, diamètre du trou : 0,9 µm). Spectre d'émission laser et courbes Power-Out/Power-In du microdisque à différentes températures (de 15 à 230 K).