Ein SiGe Quanten-Kaskaden-Laser basierend auf LH-Übergängen

Das wissenschaftliche Interesse an der Realisierung eines elektrisch gepumpten Siliziumlasers wird durch eine Reihe von vielversprechenden Anwendungen getrieben, darunter die monolithische Integration von silizium- basierter Optoelektronik. Die bis jetzt in Silizium demonstrierten Laser, unter ihnen ein in verspanntem und hoch dotiertem Germanium realisiertes Bauteil, werden optisch gepumpt und sind demnach von sehr eingeschränktem Nutzen für optoelectronische Anwendungen. Eines der vielversprechendsten Konzepte zur Realisierung eines elektrisch gepumpten Siliziumlasers besteht in dem des Quantenkaskadenlasers (QCL). Während jedoch an einer Reihe von p-typ SiGe-Quantenkaskadenstrukturen Elektrolumineszenz (EL) nachgewiesen wurde, lässt die Demonstration eines Lasers noch auf sich warten. In p-typ SiGe realisierte QC- EL-Emitter, die im mittleren Infrarot arbeiten, basieren üblicherweise auf Übergängen zwischen schweren Lochzuständen. Im Gegensatz dazu nutzen die bis jetzt demonstrierten EL- Bauteile, die im Terahertz-Bereich emittieren, Übergänge zwischen leichten (light-hole, LH) und schweren Löchern (heavy-hole, HH). Trotz des erfolgreichen Nachweis von EL in all diesen Strukturen konnte bis jetzt in keinem der Bauteile Populationsinversion erreicht werden. Das hier eingereichte Projekt schlägt vor, einen SiGe QCL im Terahertz-Bereich auf Übergängen zwischen LH- Zuständen zu basieren. Der Antrag beinhaltet das Design einer unverspannten SiGe Quantenkaskadenstruktur, welche auf einem virtuellen Si0.7Ge0.3 -Substrat gewachsen werden soll. Das neuartige Design verspricht lange Verweilzeiten von Löchern im angeregten Zustand des lasenden Übergangs, und eine rasche Entleerung von Ladungsträgern in dessen Grundzustand, was durch die Nutzung von diagonalen Übergängen und dem Ausschliessen von parasitären Relaxationspfaden ermöglicht wird. Letzteres kann durch die Nutzung eines LH-LH Übergangs für die Lasertätigkeit erreicht werden, wobei ein weiterer Vorteil dieser Wahl des Laserübergangs in der hohen Oszillatorstärke zwischen Zuständen mit leichter Masse besteht. In Kombination mit den niedrigen Anforderungen an das Wachstum der Struktur, sollten die erwähnten Vorteile der vorgeschlagenen Struktur und die effiziente Vermeidung der zum Scheitern der bisherigen SiGe QCLs beitragenden Probleme (Lebenszeiten, parasitäre Ströme), die erfolgreiche Demonstration von Lasertätigkeit im Zuge dieses Projekts ermöglichen. Das Projekt beinhaltet das Design, die Herstellung, die experimentelle Charakterisierung und Optimierung einer LH-basierten QCL-Struktur, sowie deren Integration in einen sogenannten Double-Metal-Resonator. Für die erfolgreiche Durchführung des Projekts, das mit der Realisierung des ersten elektrisch gepumpten Siliziumlasers abschliessen soll, sind die Erfahrung und die Laboreinrichtungen der gastgebenden Institution, der Gruppe von Federico Capasso an der Harvard Universität, von ausschlaggebender Bedeutung.

Das präsentierte Projekt führte zur ersten Demonstration eines auf Übergängen zwischen leichten Lochzuständen basierenden Silizium-Germanium Quanten-Kaskaden-Emitters. Die Ergebnisse bilden einen entscheidenden Schritt zur Realisierung einer siliziumbasierten Laserquelle, die von großem Interesse für kompakte und robuste Sensor- und Detektionssysteme ist. Aufgrund der Aussicht auf CMOS-Kompatibilität weist Silizium-Photonik eine hohe Attraktivität als potentielle Plattform für die nächste Generation von integrierten Datentransfer-und Spektroskopiesystemen auf. Die monolitische Integration aller für optoelektronische Systeme benötigten Komponenten wurde jedoch bis heute vom Fehlen eines entscheidenden Bausteins verhindert: Dem einer praktischen, siliziumbasierten Laserquelle. Die Ergebnisse des präsentierten Projekts bilden einen bedeutenden Schritt zur Umsetzung eines solchen Lasers. Ein neuartiges optisch aktives Material wurde entwickelt und umgesetzt, basierend auf nanometer-dünnen Schichten aus Silizium-Germanium-Verbindungen, die eine sogenannte Quanten-Kaskaden-Struktur bilden. In anderen Materialsystemen wurden auf dem Quanten-Kaskaden-Prinzip basierende Laser bereits mit großem Erfolg umgesetzt. Sämtliche bis jetzt realisierte Quanten-Kaskaden-Laser basieren jedoch auf strahlenden Übergängen zwischen Elektronen-Zuständen im Leitungsband. Dieser Ansatz kann im Silizium-Germanium-System schwer verfolgt werden, da sich keine ausreichend tiefen Potentialtöpfe für Elektronen bilden. Silizium-Germanium-Quanten-Kaskaden lassen sich jedoch für Löcher realisieren, die aber schwerer sind als Elektronen und deren Masse vom besetzten Lochband abhängt. Die Masse der Ladungsträger wirkt sich entscheidend auf die optischen Eigenschaften des Materials aus, und bis jetzt wurden nur auf unvorteilhaften schweren Löchern basierende Silizium-Germanium-Kaskaden realisiert. Der hier demonstrierte Ansatz nutzt optische Übergänge zwischen leichten Lochzuständen, deren Eigenschaften Elektronen ähnlicher sind und die effizientere Emission von Strahlung und einen effektiveren Ladungsträgertransport ermöglichen. Die realisierten auf leichten Löchern basierenden Strukturen zeigen vielversprechende Eigenschaften, und werden das Fundament für die erste Demonstration eines silizumbasierten Quanten-Kaskaden-Lasers bilden. Ein solches Bauteil kann mit optoelektronischen Schaltkreisen auf Siliziumbasis integriert werden, die wiederum für eine Vielzahl von Anwendungen von Interesse sind, von medizinischer Diagnostik (Lab-on-a-Chip) und Umwelt- und Luftverschmutzungskontrolle über Sicherheitssysteme bis hin zu industrieller Prozesskontrolle und Wasserqualitätsüberwachung.