För första gången, forskare har tillverkat högpresterande mellaninfraröda laserdioder direkt på mikroelektronikkompatibla kiselsubstrat. De nya lasrarna kan möjliggöra en omfattande utveckling av lågkostnadssensorer i realtid, noggrann miljöavkänning för applikationer som övervakning av luftföroreningar, livsmedelssäkerhetsanalys, och upptäcka läckor i rör.

"De flesta optiska kemiska sensorer är baserade på interaktionen mellan molekylen av intresse och mellaninfrarött ljus, " sa forskargruppsledaren Eric Tournié från universitetet i Montpellier i Frankrike. "Att tillverka mellaninfraröda lasrar på mikroelektronikkompatibelt kisel kan avsevärt minska kostnaderna eftersom de kan tillverkas med samma bearbetningstekniker med hög volym som används för att göra kiselmikroelektroniken som driver mobiltelefoner och datorer."

Det nya tillverkningssättet beskrivs i Optica , The Optical Societys (OSA) tidskrift för forskning med hög effekt. Arbetet utfördes på EXTRA-anläggningarna och som en del av REDFINCH-konsortiet, som utvecklas miniatyriserat, portabla lågprisoptiska sensorer för kemisk detektering i både gaser och vätskor.

"För detta projekt, vi arbetar uppströms genom att utveckla fotoniska enheter för framtida sensorer, sade Tournié. I ett senare skede, dessa nya mellaninfraröda lasrar kan kombineras med kiselfotonikkomponenter för att skapa smarta, integrerade fotoniska sensorer."

Branschkompatibel tillverkning

Laserdioder är gjorda av halvledarmaterial som omvandlar elektricitet till ljus. Mellaninfrarött ljus kan skapas med hjälp av en typ av halvledare som kallas III-V. I ungefär ett decennium, forskarna har arbetat med att deponera III-V-halvledarmaterial på kisel med en metod som kallas epitaxi.

Även om forskarna tidigare demonstrerat lasrar på kiselsubstrat, dessa substrat var inte kompatibla med industristandarder för tillverkning av mikroelektronik. När du använder industrikompatibelt kisel, skillnader i materialstrukturerna hos kislet och III-V-halvledaren orsakar defekter.

"En speciell defekt som kallas antifasgräns är en enhetsdödare eftersom den skapar kortslutningar, " sade Tournié. "I detta nya verk, vi utvecklade ett epitaxiellt tillvägagångssätt som förhindrar dessa defekter från att nå den aktiva delen av en enhet."

Forskarna förbättrade också processen som användes för att tillverka laserdioden från det epitaxiella materialet. Som ett resultat, de kunde skapa en hel laserstruktur på ett industrikompatibelt kiselsubstrat med en enda körning av ett epitaxiellt verktyg.

Högpresterande lasrar

Forskarna demonstrerade det nya tillvägagångssättet genom att producera mellaninfraröda laserdioder som fungerade i kontinuerligt vågläge och uppvisade låga optiska förluster. De planerar nu att studera livslängden för de nya enheterna och hur den livslängden relaterar till enheternas tillverkning och driftläge.

De säger att när deras metod är helt mogen, epitaxi av lasrar på stora kiselsubstrat (upp till 300 millimeter tvärs över) med hjälp av kiselmikroelektronikverktyg kommer att förbättra kontrollen av tillverkningsprocessen. Det här kommer att, i tur och ordning, ytterligare minska kostnader för lasertillverkning och möjliggör design av nya enheter. De nya lasrarna kan också kombineras med integrerade kretsar för passiv kiselfotonik eller CMOS-teknik för att skapa små, låg kostnad, smarta fotoniska sensorer för gas- och vätskemätningar med hög känslighet.

"Halvledarmaterialet vi arbetar med tillåter tillverkning av lasrar eller fotodetektorer som arbetar inom ett brett spektralområde, från 1,5 mikron (telekomband) till 25 mikron (fjärr infraröd), ", sa Tournié. "Vår tillverkningsmetod kan tillämpas inom alla områden där man behöver integrera III-V-halvledare på kiselplattformar. Till exempel, vi har redan tillverkat kvantkaskadlasrar som emitterar vid 8 mikron genom att tillämpa denna nya epitaxiella metod."