De combinatie van silicium met een lichtproducerende halfgeleider kan helpen bij de ontwikkeling van lasers op micrometerschaal. toont Doris Keh-Ting Ng en haar collega's van het A*STAR Data Storage Institute.

Silicium heeft een revolutie teweeggebracht in de productie van elektrische apparaten. Deze overvloedige halfgeleider kan gemakkelijk worden verwerkt tot kleine componenten, zoals transistoren, met behulp van methoden die schaalbaar zijn tot industriële niveaus, waardoor de productie van honderdduizenden elementen op een enkele chip mogelijk is. Elektronica-ingenieurs willen de functionaliteit van deze geïntegreerde schakelingen verder uitbreiden door ze in staat te stellen om, licht manipuleren en detecteren.

Deze opto-elektronische apparaten kunnen de verwerking van digitale informatie versnellen, en leiden tot lasers op micrometerschaal, voor gebruik in bijvoorbeeld barcodescanners. Het probleem, echter, is dat silicium geen efficiënte lichtgenerator is.

Het team van Ng ontwierp en produceerde een laser die compatibel is met siliciumfabricagetechnieken door silicium te combineren met een ander halfgeleidermateriaal dat licht kan produceren:indium galliumarsenidefosfide (InGaAsP). "Onze resultaten demonstreren een veelbelovende aanpak voor efficiënte en compacte actieve opto-elektronische apparaten op silicium met behulp van een zeer dunne III-V halfgeleiderlaag, " zegt Ng.

Een cruciale overweging in elke laserstructuur is optische feedback:het vermogen om licht in de structuur op te sluiten om verdere lichtgeneratie te stimuleren. Bij conventionele lasers, dit wordt gedaan door aan weerszijden van het lichtgenererende gebied een spiegel te plaatsen. In plaats daarvan, Ng en het team gebruikten een cilindrische apparaatgeometrie. Dit hield een deel van het gegenereerde licht vast aan de wanden van het apparaat en dwong het zich rond in de cilinder voort te planten. Dit wordt een fluistergalerijmodus genoemd omdat hetzelfde effect geluidsgolven opsluit in een ronde kamer zoals een kathedraalkoepel.

Het team begon met een siliciumsubstraat, waarop ze een dunne laag siliciumoxide afzetten. De optisch actieve InGaAsP-film, slechts 210 nanometer dik, werd afzonderlijk gefabriceerd en vervolgens bovenop het siliciumoxide gehecht. Het team heeft vervolgens een deel van het materiaal geëtst om cilinders te maken met een diameter van twee of drie micrometer. De drie micrometer-apparaten straalden laserlicht uit met een golflengte van 1, 519 nanometer, zeer dicht bij die gebruikt in commerciële optische communicatiesystemen.

Een uniek kenmerk van dit apparaat is dat de fluistergalerijmodus zich uitstrekt over zowel de silicium- als de InGaAsP-regio's. De InGaAsP zorgt voor lichtversterking terwijl het silicium het licht passief geleidt. "Vervolgens hopen we deze ideeën toe te passen op apparaten die bij kamertemperatuur werken, "zegt Ng. "Werking bij hogere temperatuur vereist fijnafstemming van het laserontwerp en de fabricage."