Het is een uitdaging gebleken om hybride halfgeleiderlasers te fabriceren op andere materialen dan de veelgebruikte silicium-op-isolator (SOI)-substraten. Nutsvoorzieningen, A*STAR-onderzoekers hebben een innovatieve techniek ontwikkeld waarmee de lasers kunnen worden geïntegreerd in een reeks verschillende materialen.

Hybride lasers combineren de lichtemitterende eigenschappen van groep III-V halfgeleiders zoals galliumarsenide en indiumfosfide, met conventionele siliciumtechnologieën, het aanbieden van goedkope fotonische en micro-elektronische apparaten voor toepassing in optische telecommunicatiesystemen.

Hun scala aan toepassingen, echter, wordt beperkt door de slechte lichtuitstralende eigenschappen van de silicium-op-isolator (SOI)-wafels die meestal worden gebruikt als substraten in het fabricageproces. Dit zette Doris Keh-Ting Ng en collega's van het A*STAR Data Storage Institute ertoe aan een innovatieve techniek te ontwikkelen voor het hechten van III-V-lasers op andere substraten, of het nu silicium is, kwarts, of metaallegeringen.

Door een ultradunne laag siliciumoxide te gebruiken om de lasers aan een siliciumsubstraat te hechten, de onderzoekers ontwikkelden een eenvoudiger, veiligere en flexibelere techniek dan directe verlijming, die afhankelijk is van chemische binding tussen de oppervlakken.

"De uitdaging is om een ​​soepele, extreem dunne laag siliciumoxide op het oppervlak van het substraat, " legt Ng uit. "Door de film op het siliciumsubstraat te laten groeien, maar niet op het III-V-substraat, we hebben de complexiteit van het proces aanzienlijk verminderd en de sterkte van de verbinding tussen de twee materialen verbeterd."

Na eerst de oppervlakken te hebben gereinigd met een organisch oplosmiddel, de onderzoekers stelden het oppervlak bloot aan een zuurstofplasma om de hechtende eigenschappen te vergroten. Vervolgens startten ze het hechtproces bij omgevingstemperatuur door de twee substraten langzaam samen te brengen, om de lucht die ertussen zit te verminderen, zorgen voor een veel sterkere band.

De verlijming werd vervolgens voltooid bij relatief lage temperaturen van ongeveer 220 graden Celsius, waardoor de ultradunne laag siliciumoxide warmte tussen de lagen kan geleiden, mogelijke schade aan de materialen te verminderen, het versterken van de band en het vermijden van de noodzaak van gevaarlijke chemicaliën, zoals Piranha-oplossing en fluorwaterstofzuur, gebruikt in directe binding.

Het werk demonstreert een veelzijdige on-chip laser die op elk materiaalplatform kan worden geïntegreerd en kan leiden tot nieuwe toepassingen voor fotonische apparaten, zoals detector-on-chip en modulator-on-chip-technologieën.

"De benadering van de tussenlaag bij lage temperatuur is eenvoudiger en veel veiliger dan directe verlijming, en betekent dat laserfabrikanten niet worden beperkt door de keuze van het substraat, " zegt Ng.