Ny fremstillingstilgang baner vej for billige melleminfrarøde lasere, der er nyttige til sansning

For første gang, forskere har fremstillet højtydende mid-infrarøde laserdioder direkte på mikroelektronikkompatible siliciumsubstrater. De nye lasere kunne muliggøre en udbredt udvikling af billige sensorer i realtid, nøjagtig miljøføling til applikationer som overvågning af luftforurening, fødevaresikkerhedsanalyse, og opdage lækager i rør.

"De fleste optiske kemiske sensorer er baseret på interaktionen mellem molekylet af interesse og mellem-infrarødt lys, " sagde forskerholdsleder Eric Tournié fra universitetet i Montpellier i Frankrig. "Fabrikation af mid-infrarøde lasere på mikroelektronikkompatibelt silicium kan i høj grad reducere deres omkostninger, fordi de kan fremstilles ved hjælp af de samme højvolumenbehandlingsteknikker, der bruges til at fremstille siliciummikroelektronikken der driver mobiltelefoner og computere."

Den nye fremstillingstilgang er beskrevet i Optica , The Optical Society's (OSA) tidsskrift for forskning med høj effekt. Arbejdet blev udført på EXTRA-faciliteterne og som en del af REDFINCH-konsortiet, som udvikler sig miniaturiseret, bærbare billige optiske sensorer til kemisk detektion i både gasser og væsker.

"Til dette projekt, vi arbejder opstrøms ved at udvikle fotoniske enheder til fremtidige sensorer, " sagde Tournié. "På et senere tidspunkt, disse nye melleminfrarøde lasere kunne kombineres med siliciumfotonikkomponenter for at skabe smarte, integrerede fotoniske sensorer."

Branchekompatibel fremstilling

Laserdioder er lavet af halvledermaterialer, der omdanner elektricitet til lys. Midt-infrarødt lys kan skabes ved hjælp af en type halvleder kendt som III-V. I omkring et årti, forskerne har arbejdet på at afsætte III-V-halvledermateriale på silicium ved hjælp af en metode kendt som epitaksi.

Selvom forskerne tidligere har demonstreret lasere på siliciumsubstrater, disse substrater var ikke kompatible med industristandarder for fremstilling af mikroelektronik. Når du bruger industrikompatibelt silicium, forskelle i siliciumets og III-V-halvlederens materialestrukturer forårsager dannelse af defekter.

"En særlig defekt kaldet en anti-fase grænse er en enhedsdræber, fordi den skaber kortslutninger, " sagde Tournié. "I dette nye værk, vi udviklede en epitaksial tilgang, der forhindrer disse defekter i at nå den aktive del af en enhed."

Forskerne forbedrede også den proces, der blev brugt til at fremstille laserdioden fra det epitaksiale materiale. Som resultat, de var i stand til at skabe en hel laserstruktur på et industrikompatibelt siliciumsubstrat med en enkelt kørsel af et epitaksielt værktøj.

Højtydende lasere

Forskerne demonstrerede den nye tilgang ved at producere mid-infrarøde laserdioder, der fungerede i kontinuerlig bølgetilstand og udviste lave optiske tab. De planlægger nu at studere levetiden for de nye enheder, og hvordan denne levetid relaterer sig til enhedernes fremstilling og driftstilstand.

De siger, at når først deres metode er helt moden, epitaksi af lasere på store siliciumsubstrater (op til 300 millimeter på tværs) ved hjælp af siliciummikroelektronikværktøjer vil forbedre kontrollen over fremstillingsprocessen. Dette vil, på tur, yderligere reducere omkostningerne til laserfabrikation og muliggøre design af nye enheder. De nye lasere kunne også kombineres med passive siliciumfotonik-integrerede kredsløb eller CMOS-teknologi for at skabe små, lavpris, smarte fotoniske sensorer til gas- og væskemålinger med høj følsomhed.

"Halvledermaterialet, vi arbejder med, tillader fremstilling af lasere eller fotodetektorer, der opererer i et bredt spektralområde, fra 1,5 mikron (telebånd) til 25 mikron (langt infrarød), " sagde Tournié. "Vores fremstillingsmetode kan anvendes på ethvert område, hvor man skal integrere III-V halvledere på siliciumplatforme. For eksempel, vi har allerede fremstillet kvante-kaskadelasere, der udsender ved 8 mikron ved at anvende denne nye epitaksiale tilgang."