16 octobre 2018
GeSn alloy : Group IV direct bandgap semiconductors for laser emission
Contact : Vincent CALVO
GeSn alloy : Group IV direct bandgap semiconductors for laser emission

Legend: GeSn alloy microdisk and photonic crystal lasers (disk diameter: 10 µm, crystal photonic periodicity: 1.4µm, hole diameter: 0.9µm ). Laser emission spectra and Power-Out versus Power-In curves of the microdisk at different temperatures (from 15K to 230 K).

V. Calvo and N. Pauc at INAC/PHELIQS/ SiNaPS

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.
Nous avons 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. Nous avons observé l’émission laser jusqu’à une température record de 230 K.  
Nous développons 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.

GeSn heterostructure micro-disk laser operating at 230K. Q.M. Thai, N. Pauc, J. Aubin, M. Bertrand, J. Chrétien, V. Delaye, A. Chelnokov, J.M. Hartmann, V. Reboud, V. Calvo. Optics Express 2018, accepted.


2D hexagonal photonic crystal GeSn laser with 16% Sn content. Q.M. Thai, N. Pauc, J. Aubin, M. Bertrand, J. Chrétien, A. Chelnokov, J.M. Hartmann, V. Reboud, V. Calvo. Applied Physics Letters 2018, 113, 051104.


Optically pumped GeSn micro-disks with 16% Sn lasing at 3.1 µm up to 180K. V. Reboud, A. Gassenq, N. Pauc, J. Aubin, L. Milord, Q.M. Thai, M. Bertrand, K. Guilloy, D. Rouchon, J. Rothman, T. Zabel, F. Armand Pilon, H. Sigg, A. Chelnokov, J.M. Hartmann, V. Calvo. Applied Physics Letters 2017, 111, 092101.

 

 

 

Maj : 16/10/2018 (1313)

 

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