Silicon-Integrated GeSn Mid-Infrared Emitters : Theoretical Modeling and Device Demonstration

Le développement de technologies de plus en plus innovantes combiné à notre insatiable appétit pour les données conduit à une demande grandissante en bandes passantes et une consommation excessive d'énergie par les centres de données. Cette énorme consommation d'électricité se traduit majoritairement par une dissipation d'énergie sous forme de chaleur aussi bien néfaste pour l'environnement que pour les dispositifs électroniques eux-mêmes. L'introduction de la photonique intégrée sur silicium (Si), compatible avec la technologie CMOS, a été proposée pour remédier à ces problèmes. Cependant, le développement de dispositifs photoniques efficaces et performants reste une tâche ardue du fait de la bande interdite indirecte du Si et du germanium (Ge). En effet, cette propriété limite sévèrement les taux d'émission et d'absorption de ces matériaux, les rendant donc inefficaces. Dans le but de trouver une solution à cette inefficacité, la piste des alliages semi-conducteurs du groupe IV a récemment été explorée. Les alliages de germanium-étain (GeSn) par exemple, présentent une possibilité d'obtenir une bande interdite directe ajustable en fonction de la composition de Sn et de la contrainte appliquée au matériau. Ils ont et continuent de susciter énormément d'intérêt aussi bien du point de vue théorique pour une meilleure compréhension de leurs propriétés optiques que du point de vue expérimental pour la conception de dispositifs. Dans cette optique, un cadre théorique est développé pour étudier les propriétés de luminescence des alliages de GeSn. Il s'appuie sur le modèle k.p à huit bandes, combiné à l'approximation de la fonction d'enveloppe (EFA) pour estimer les spectres d'absorption et d'émission spontanée d'un matériau massif unique. Contrairement au modèle de densité conjointe d'états (JDOS), dans lequel l'élément de matrice de quantité de mouvement est considéré constant, les forces des transitions optiques sont explicitement calculées dans notre modèle. On montre également qu'elles dépendent du vecteur d'onde ~k et de la polarisation du champ électromagnétique incident. En outre, une méthode relativement simple est utilisée pour estimer les intégrales sur la première zone de Brillouin. Cette approche tient compte explicitement de l'impact de la déformation du réseau sur les directions dites représentatives de l'espace réciproque. Ensuite, le modèle développé est utilisé pour étudier les propriétés de photoluminescence (PL) des couches de GeSn déformées et relaxées.