Auf leichten Löchern basierte SiGe QCLs im THz und MIR

Das geplante Projekt zielt auf die erste Demonstration eines Quanten-Kaskaden-Lasers im Silizium- Germanium-System ab, wobei der verfolgte Ansatz auf Übergängen zwischen leichten Lochzuständen basiert. 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 benötigten Komponenten wurde jedoch bis heute vom Fehlen eines entscheidenden Bausteins verhindert: Dem einer praktischen, siliziumbasierten Laserquelle. Im Zuge des vorliegenden Projekt wird ein neuartiges optisch aktives Material für die Realisierung eines Lasers entwickelt, basierend auf nanometer-dünnen Schichten aus Silizium- Germanium-Verbindungen, die eine sogenannte Quanten-Kaskaden-Struktur bilden. In anderen Materialsystemen werden Quanten-Kaskaden-Laser bereits mit grossem Erfolg umgesetzt. Sämtliche bis jetzt realisierte nach diesem Prinzip funktionierende 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 vor kurzem wurden nur auf unvorteilhaften schweren Löchern basierende Silizium-Germanium-Kaskaden realisiert. Erst kürzlich hat der Verfasser dieses Projekts die erste auf optischen Übergängen zwischen leichten Lochzuständen basierende Quanten-Kaskaden-Struktur realisiert. Leichte Löcher sind in ihren Eigenschaften Elektronen ähnlicher, und ermöglichen die effizientere Emission von Strahlung und einen effektiveren Ladungsträgertransport. Im Zuge des vorliegenden Folgeprojekts werden Strukturen mit ausreichend Lichtverstärkung zur Demonstration von Laser-Operation entwickelt. Das realisierte aktive Material wird in Wellenleiter-Resonatoren integriert, und die erste Demonstration eines Silizium-Germanium-Lasers wird im Terahertz-Bereich durchgeführt werden. Parallel ist die Entwicklung eines aktiven Materials für den Spektralbereich im mittleren Infrarot geplant. Nach erfolgreichem Projektabschluss kann die Integration des entwicklten Lasers mit optoelektronischen Schaltkreisen auf Siliziumbasis vorgenommen werden, die wiederum für eine Vielzahl von Anwendungen von Interesse sind, von medizinischer Diagnostik (Lab-on-a-Chip) über Luftverschmutzungskontrolle und Sicherheitssysteme bis hin zu industrieller Prozesskontrolle und Wasserqualitätsüberwachung.

Im Zuge unseres Projekts wurde zum ersten Mal Silizium-Germanium Quanten-Kaskaden-Material in Wellenleiterresonatoren basierend auf Metall-Halbleiter-Metall-Strukturen integriert. Der erzielte Fortschritt bildet 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 oder auf Interband-Übergänge. 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 verfolgte Ansatz nutzt optische Übergänge zwischen leichten Lochzuständen, deren Eigenschaften Elektronen ähnlicher sind und die effizientere Emission von Strahlung und einen effektiveren Ladungsträgertransport ermöglichen. 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.