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SiGeSn Laser für die Silizium Photonik

Fachliche Zuordnung Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung Förderung von 2016 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299480227
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Projektziel war der Proof-of-Concept eines elektrisch gepumpten Gruppe-IV-Lasers auf Basis von (Si)GeSn-Legierungen. Diese Legierungen, die die binären GeSn- und ternären SiGeSn-Halbleiter enthalten, werden epitaktisch in Standardreaktoren der Industrie mit großen Wafern in einer konventionellen Reinrauminfrastruktur mit Si-Technologie gezüchtet. Die Tatsache, dass der GeSn- Halbleiter mit direkter Bandlücke ausschließlich aus Elementen der Gruppe IV besteht, minimiert Kontaminationsprobleme und ebnet den Weg für die monolithische Laserintegration in elektronische CMOS-Prozesse. Zu Beginn des Projekts verfügten die Projektpartner bereits über Erfahrungen mit dem Wachstum und der Charakterisierung von Heterostrukturen auf GeSn-Basis aus früheren Aktivitäten mit optisch gepumpten Lasern. Zu Beginn des Projekts bestand der Stand der Technik aus optisch gepumpten Bulk- GeSn-Mikroscheiben- und Wellenleiterlasern mit Schwellenwerten von 100 kW/cm2 bei einer Temperatur von 10 K und 2-3 MW/cm2 bei 260 K. Für MQW-Heterostrukturen wurde eine Laseremission bis zu 150 K nachgewiesen, wobei die räumliche Ladungsträgerbegrenzung die Laserschwelle auf 30 kW/cm2 senkte. Um über den Stand der Technik hinauszugehen, wurden zwei Ansätze verfolgt, nämlich: 1. Entwicklung vielversprechender Strukturen für das elektrische Pumpen auf der Grundlage von Simulationsmodellen, die durch frühere experimentelle Ergebnisse kalibriert wurden, die Konzeption eines Herstellungsprozesses für Laserdioden einschließlich elektrischer Injektion und die messtechnische Analyse. 2. Weiterentwicklung des Heterostrukturwachstums, einschließlich des Wechsels des Präkursors für die Epitaxie, und Hinzufügung von Verspannungstechniken im Herstellungsprozess. Beide Ansätze wurden erfolgreich abgeschlossen, mit den folgenden Hauptergebnissen: Reduzierung der Schwellenwerte für elektrisch gepumpte Ge0,86Sn0,14-Bulklaser unter 50 mA. Dieser Laser zeigt eine erhebliche Verbesserung der Schwelle gegenüber einem anderen elektrisch gepumpten GeSn-Laser, über den während der Projektlaufzeit berichtet wurde. Die Ergebnisse wurden in ACS Photonics veröffentlicht. Der weltweit erste elektrisch gepumpte CW-SiGeSn-MQW-Laser. Dieser Laser ist von CW- auf ns-Pulse durchstimmbar und besitzt einen rekordniedrigen Schwellenwert von nur 4 mA. Das elektrische CW-Pumpen wurde zum ersten Mal in einem Si-basierten Material gezeigt. Der weltweit erste CW-optisch gepumpte GeSn-Laser. Die Zugverspannung wurde durch Schichtübertragung und anschließende Verwendung von SiN-Stressorschichten eingeführt. Eine Legierung mit sehr niedrigem Sn-Gehalt (5 %) wurde durch Anlegen einer großen Zugspannung von 1,5 % in ein Material mit direkter Bandlücke umgewandelt. Die Funktionalität des Lasers konnte im CW-Modus bis 60 K und im Pulsmodus bis 120 K nachgewiesen werden. Die Laserschwelle wurde auf den aktuellen Weltrekord von 1 kW/cm2 im CW-Modus und 0,8 kW/cm2 im Pulsmodus reduziert. Das Ergebnis wurde in Nature Photonics veröffentlicht. Da das CW-Lasen bei Raumtemperatur mit optischem Pumpen demonstriert wurde und das kryogene CW-Lasern mit elektrischem Pumpen erreicht wurde, besteht die verbleibende Herausforderung darin, das elektrische CW-Pumpen zusammen mit dem Betrieb bei Raumtemperatur zu erreichen. Dies bleibt eine Herausforderung, die in der zukünftigen Arbeit angegangen werden muss. Abgesehen von diesem letzten Ziel, das weiterhin eine große zukünftige Herausforderung darstellt, wurden alle Ziele dieses Projekts und neue Benchmarks erreicht, die deutlich über den bisherigen Stand der Technik hinausgehen.

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