Создан высокопроизводительный лазер, обещающий совершить прорыв

Впервые исследователи создали высокоэффективные лазерные диоды среднего инфракрасного диапазона непосредственно на кремниевых подложках, совместимых с микроэлектроникой. Новые лазеры могут обеспечить широкий спектр применения – от разработки недорогих датчиков для точного определения состояния окружающей среды в реальном времени до таких применений, как мониторинг загрязнения воздуха, анализ безопасности пищевых продуктов и обнаружение утечек в трубах.

“Большинство оптических химических сенсоров основаны на взаимодействии между молекулой, представляющей собой ключевой элемент, и средним инфракрасным светом”, – сказал руководитель исследовательской группы Эрик Турнье из Университета Монпелье во Франции. – “Изготовление лазеров среднего инфракрасного диапазона на кремниево-совместимой микроэлектронике может значительно снизить их стоимость, поскольку они могут быть изготовлены с использованием тех же методов обработки большого объема, которые используются для создания кремниевой микроэлектроники, которая активно используется в телефонах и компьютерах”.

Новый подход к изготовлению лазеров описан в журнале Optica, Оптическое общество (OSA), посвященное исследованиям с высокой производительностью. Работы проводились на объектах EXTRA и в составе консорциума REDFINCH, разрабатывающего миниатюрные портативные недорогие оптические датчики для химического обнаружения таких элементов, как газы и жидкости.

“Для этого проекта мы работаем над разработкой фотонных устройств для будущих датчиков”, – сказал Турне. “На более позднем этапе новые лазеры среднего инфракрасного диапазона могут быть объединены с компонентами кремниевой фотоники для создания интеллектуальных интегрированных фотонных датчиков”.

Совместимость с производственной промышленностью

Лазерные диоды изготовлены из полупроводниковых материалов, которые преобразуют электричество в свет. Средний инфракрасный свет может быть создан с использованием типа полупроводника, известного как III-V. В течение приблизительно десятилетия исследователи работали над нанесением полупроводникового материала III-V на кремний с использованием метода, известного как эпитаксия.

Хотя исследователи ранее демонстрировали лазеры на кремниевых подложках, эти подложки были несовместимы со стандартами изготовления микроэлектроники. При использовании совместимого с промышленностью кремния различия в структуре материалов кремния и полупроводника III-V приводят к образованию дефектов.

“Конкретный дефект, называемый антифазной границей, является убийцей такого лазерного устройства, потому что он создает короткие замыкания”, – сказал Турне. “В этой новой работе мы разработали эпитаксиальный подход, который предотвращает проникновение этих дефектов в активную часть устройства”.

Исследователи также усовершенствовали процесс изготовления лазерного диода из эпитаксиального материала. В результате им удалось создать целую лазерную структуру на совместимой с промышленностью кремниевой подложке за один проход эпитаксиального инструмента.

Высокопроизводительные лазеры

Исследователи продемонстрировали новый подход, создав лазерные диоды среднего инфракрасного диапазона, которые работали в режиме непрерывных волн и демонстрировали низкие оптические потери. Теперь они планируют изучить срок службы новых устройств и то, как это время связано с производством и режимом работы устройств.

Ученые утверждают, что, как только их метод станет полностью готовым, эпитаксия лазеров на больших кремниевых подложках (до 300 мм в поперечнике) с использованием кремниевых инструментов микроэлектроники улучшит контроль над процессом изготовления. Это, в свою очередь, еще больше сократит затраты на изготовление лазера и позволит разрабатывать новые устройства. Новые лазеры также могут быть объединены с интегральными микросхемами пассивной кремниевой фотоники или технологией CMOS для создания небольших и недорогих интеллектуальных фотонных датчиков для измерений газа и жидкости с высокой чувствительностью.

“Полупроводниковый материал, с которым мы работаем, позволяет изготавливать лазеры или фотоаппараты, работающие в широком спектральном диапазоне, от 1,5 микрон (в телекоммуникационном диапазоне) до 25 микрон (в дальнем инфракрасном диапазоне)”, – сказал Турне. – “Наш метод изготовления может применяться в любой области, где необходимо интегрировать полупроводники III-V на кремниевых платформах. Например, мы уже изготовили квантово-каскадные лазеры с излучением в 8 микрон, применяя этот новый эпитаксиальный подход”.