Een systematische studie van een eenvoudige en algemene structuur voor on-chip halfgeleiderlasers door A*STAR-onderzoekers zet de toon voor een veel bredere toepassing van geïntegreerde halfgeleiderlasers dan conventionele op silicium gebaseerde systemen.

Het vermogen om te gebruiken, licht manipuleren en voelen is toepasbaar op veel technologieën, van data-interconnectie en glasvezel tot optische sensoren en optische opslagsystemen. Kleine lasers worden routinematig geïntegreerd in microchips voor deze 'opto-elektronica'-toepassingen met behulp van een goed begrepen op silicium gebaseerde laserstructuur, maar alternatieve en mogelijk eenvoudigere structuren in niet-siliciumsystemen moeten nog in detail worden onderzocht.

Een van die toepassingen die niet op silicium is gebaseerd, is een nieuw type gegevensopslagsysteem dat heat-assisted magnetic recording (HAMR) wordt genoemd. waaraan onderzoekers van het A*STAR Data Storage Institute hebben gewerkt als een technologie voor gegevensopslag van de volgende generatie. HAMR gebruikt geïntegreerde lasers voor snelle en nauwkeurige microspotverwarming van een magnetisch medium, maar vereist dat de laser wordt gevormd op aluminium-titaniumcarbide (AlTiC) in plaats van silicium. Dit stelde Chee-Wei Lee en zijn collega's voor een groot probleem, omdat het siliciumsubstraat een integrale rol speelt bij het produceren van het laserlicht.

"We moesten een generiek integratieschema ontwikkelen waarmee we laserapparaten op verschillende substraten zouden kunnen fabriceren, niet alleen silicium, " zegt Lee. "Hiervoor, een facetreflectorstructuur is erg handig, maar lage facetreflectiviteit is een probleem, en het gebruik van verschillende reflectoren betekent meestal een ingewikkelder fabricageproces en een grotere kans op defecten aan het apparaat."

De lasers die in dergelijke toepassingen worden gebruikt, zetten elektrische stroom om in een lichtemissie. Ze doen dit door licht te nemen dat wordt geproduceerd door een stapel ultradunne lagen van een lichtemitterende halfgeleider (in dit geval aluminium-gallium-indium-arsenide), en het vermenigvuldigen van licht op de doelgolflengte met behulp van een resonantieholte gevormd tussen twee reflectoren.

Door een gefacetteerde laserstructuur te ontwerpen, rekening houdend met procesintegratie, Lee en zijn team ontwikkelden een fabricageschema dat plaats biedt aan verschillende soorten reflectoren zonder extra verwerkingsstappen. Het team gebruikte dit fabricageschema vervolgens om facetreflectoren te testen die zijn gemaakt door een dunne gouden film af te zetten, door chemische modificatie van het oppervlak, of door een luchtspleet te etsen (zie afbeelding).

Studies van de verschillende laserstructuren vervaardigd in het A*STAR-laboratorium en ondersteunende simulaties onthulden dat een dunne goudlaag, minder dan 100 nm dik, leverde de beste prestaties op het gebied van facetreflectiviteit, minimale laserstroom, emissie-efficiëntie en uitgangsvermogen.

"We verwachten dat onze resultaten zullen dienen als benchmark voor onderzoek en ontwikkeling van geëtste facetlasers met verschillende reflectoren, " zegt Leen.