Сделан важный шаг к кремниевой терагерцевой фотонике

Диодные лазеры, используемые в сканерах штрих-кодов или в лазерных указках, обычно основаны на арсениде галлия (GaAs). К сожалению, физические процессы, которые создают свет в GaAs, плохо работают в кремнии – гораздо более технологически освоенном полупроводнике. Поиск способов реализации «лазера на кремнии» остается давней и заманчивой целью инженеров.

Прогресс на пути к созданию таких устройств недавно продемонстрировала публикация в Applied Physics Letters, сообщающая об электролюминесценции, полученной от кремний-германиевой гетероструктуры (SiGe). Помимо того, что этот материал совместим со стандартными производственными процессами кремниевой микроэлектроники, излучение наблюдалось в терагерцевом диапазоне, представляющем интерес для ряда важных приложений.

В этом исследовании использовалась парадигма  квантово-каскадного лазера (QCL), излучающего не за счёт рекомбинации электронов и дырок через запрещенную зону, а путём туннелирования электронов через повторяющиеся нанослои полупроводников.

На сегодняшний день QCL уже созданы для многих материалов, но, несмотря на благоприятные прогнозы, не для кремния. Превратив эти предсказания в реальность, междисциплинарная команда разработала и сконструировала устройства с комбинацией слоёв SiGe и чистого германия (Ge), высотой менее 100 нанометров, повторяющейся с атомарной точностью 51 раз.
 
На таких гетероструктурах учёные из Италии, Германии, Шотландии и Швейцарии зарегистрировали электролюминесценцию, спектральные характеристики которой хорошо согласуются с расчётами. Хотя излучает структура Ge/SiGe всё ещё значительно хуже, чем её аналог на базе GaAs, экспериментальные результаты ясно показывают, что команда находится на правильном пути.

Следующим шагом будет сборка аналогичных структур Ge/SiGe по лазерной схеме. Конечная цель – получить QCL на кремниевой основе, функционирующий при комнатных температурах.

Благодаря потенциальной универсальности и сниженной себестоимости, такие устройства могут сделать возможным  широкомасштабное использование терагерцевого излучения в существующих и новых областях применения: от медицинской визуализации до беспроводной связи.