Teknik til fremstilling af hybridlasere på forskellige materialer til fotoniske enheder

Fremstilling af hybride halvlederlasere på andre materialer end de almindeligt anvendte silicium-på-isolator (SOI)-substrater har vist sig udfordrende. Nu, A*STAR-forskere har udviklet en innovativ teknik, der kan integrere laserne på en række forskellige materialer.

Hybridlasere kombinerer de lysemitterende egenskaber af gruppe III-V halvledere som galliumarsenid og indiumphosphid, med konventionelle siliciumteknologier, tilbyder billige fotoniske og mikroelektroniske enheder til anvendelse i optiske telekommunikationssystemer.

Deres række af applikationer, imidlertid, er begrænset af de dårlige lysemitterende egenskaber for silicium-på-isolator (SOI) wafere, der mest bruges som substrater i fremstillingsprocessen. Dette ansporede Doris Keh-Ting Ng og kolleger fra A*STAR Data Storage Institute til at udvikle en innovativ teknik til at lime III-V lasere på andre substrater, det være sig silicium, kvarts, eller metallegeringer.

Ved at bruge et ultratyndt lag siliciumoxid til at binde laserne til et siliciumsubstrat, forskerne udviklede en enklere, sikrere og mere fleksibel teknik end direkte limning, som er afhængig af kemisk binding mellem overfladerne.

"Udfordringen er at producere en jævn, ekstremt tyndt lag siliciumoxid på overfladen af ​​substratet, " forklarer Ng. "Ved at dyrke filmen på siliciumsubstratet, men ikke på III-V-substratet, vi reducerede i høj grad kompleksiteten af ​​processen og forbedrede styrken af ​​bindingen mellem de to materialer."

Efter først at have renset overfladerne med et organisk opløsningsmiddel, forskerne udsatte overfladen for et oxygenplasma for at øge dens klæbende egenskaber. De påbegyndte derefter bindingsprocessen ved omgivelsestemperatur ved at bringe de to substrater langsomt sammen, for at reducere luften, der er fanget mellem dem, sikrer et meget stærkere bånd.

Bindingen blev derefter afsluttet ved relativt lave temperaturer på omkring 220 grader Celsius, tillader det ultratynde lag af siliciumoxid at lede varme mellem lagene, reduktion af potentielle skader på materialerne, styrker bindingen og undgår behovet for farlige kemikalier, såsom Piranha-opløsning og flussyre, bruges i direkte limning.

Værket demonstrerer en alsidig on-chip laser, der kan integreres på enhver materialeplatform og kan føre til nye applikationer til fotoniske enheder, såsom detektor-på-chip- og modulator-på-chip-teknologier.

"Lavtemperatur-mellemlagstilgangen er enklere og meget sikrere end direkte limning, og betyder, at laserproducenter ikke er begrænset af valget af substrat, " siger Ng.