Onderzoekers hebben een zeer nauwkeurige manier ontwikkeld om meerdere optische apparaten op micronschaal extreem dicht bij elkaar op een enkele chip te monteren. De nieuwe aanpak zou op een dag de productie van op chips gebaseerde optische systemen in grote volumes mogelijk kunnen maken, waardoor compactere optische communicatieapparatuur en geavanceerde imagers mogelijk zouden worden.

"De ontwikkeling van elektronica op basis van siliciumtransistors heeft steeds krachtigere en flexibelere systemen op een chip mogelijk gemaakt, " Dimitars Jevtics van de Universiteit van Strathclyde in het VK. "Optische systemen op een chip, echter, vereisen integratie van verschillende materialen op een enkele chip en, daarom, hebben niet dezelfde schaalontwikkeling gezien als siliciumelektronica."

In het tijdschrift Optica Publishing Group Optische materialen Express , Jevtics en collega's beschrijven hun nieuwe transferdrukproces en demonstreren het vermogen om apparaten gemaakt van meerdere materialen op een enkele chip te plaatsen, allemaal geïntegreerd in een voetafdruk die qua grootte vergelijkbaar is met de apparaten zelf. Terwijl andere methoden doorgaans beperkt zijn tot een enkel materiaal, deze nieuwe aanpak biedt een gereedschapskist met materialen waaruit toekomstige systeemontwerpers kunnen putten.

"Op-chip optische communicatie, bijvoorbeeld, vereist de montage van optische bronnen, kanalen en detectoren op subassemblages die kunnen worden geïntegreerd met siliciumchips, " zei Jevtics. "Ons transferprintproces zou kunnen worden opgeschaald om duizenden apparaten gemaakt van verschillende materialen op een enkele wafer te integreren. Dit zou het mogelijk maken om optische apparaten op micronschaal te integreren in toekomstige computerchips voor communicatie met hoge dichtheid of in bio-sensing-platforms op een lab-on-a-chip."

Een betere manier om te kiezen en te plaatsen

Een van de grootste uitdagingen bij het assembleren van meerdere apparaten op een chip is om ze heel dicht bij elkaar te plaatsen zonder apparaten die al op de chip zitten te storen. Om dit te bereiken, de onderzoekers ontwikkelden een methode op basis van omkeerbare adhesie waarbij een apparaat wordt opgepakt en losgemaakt van zijn groeisubstraat en op een nieuw oppervlak wordt geplaatst.

De nieuwe methode maakt gebruik van een zachte polymeerstempel die op een robotbewegingsbesturingsplatform is gemonteerd om een ​​optisch apparaat op te pikken van het substraat waarop het is gemaakt. Het substraat waarop het wordt geplaatst, wordt vervolgens onder het opgehangen apparaat geplaatst en nauwkeurig uitgelijnd met behulp van een microscoop. Eenmaal goed uitgelijnd, de twee oppervlakken worden met elkaar in contact gebracht, die het apparaat losmaakt van de polymeerstempel en het op het doeloppervlak afzet. Vooruitgang in nauwkeurige micro-assemblagerobotica, nanofabricagetechnieken en microscopische beeldverwerking hebben deze benadering mogelijk gemaakt.

"Door de geometrie van de stempel zorgvuldig af te stemmen op het apparaat en de plakkerigheid van het polymeermateriaal te beheersen, we kunnen engineeren of een apparaat wordt opgepakt of vrijgegeven, " zei Jevtics. "Wanneer geoptimaliseerd, dit proces veroorzaakt geen schade en kan worden opgeschaald met behulp van automatisering om compatibel te zijn met productie op waferschaal."

Een dicht opeengepakte chip maken

Om de nieuwe techniek te demonstreren, de onderzoekers integreerden aluminium galliumarsenide, optische resonatoren van diamant en galliumnitride op een enkele chip. Deze optische resonatoren vertoonden een goede optische transmissie, waaruit blijkt dat de integratie goed werkte.

Ze gebruikten ook de printbenadering om halfgeleider-nanodraadlasers te maken door nanodraden in ruimtelijk dichte opstellingen op gastheeroppervlakken te plaatsen. Scanning-elektronische microscopiemetingen van de scheiding tussen de nanodraden toonden een ruimtelijke nauwkeurigheid in het bereik van 100 nanometer. Door halfgeleider nanodraden op siliciumdioxide te plaatsen, ze waren in staat om een ​​nanolasersysteem met meerdere golflengten te creëren.

"Als fabricagetechniek, deze afdrukbenadering is niet beperkt tot optische apparaten, " zei Jevtics. "We hopen dat elektronicaspecialisten ook mogelijkheden zullen zien voor hoe het in toekomstige systemen kan worden toegepast."

Als volgende stap, de onderzoekers werken eraan om deze resultaten te repliceren met grotere aantallen apparaten om aan te tonen dat het op grotere schaal werkt. Ze willen ook hun transferprintbenadering combineren met een geautomatiseerde uitlijntechniek die ze eerder hebben ontwikkeld om snelle metingen mogelijk te maken, selectie en overdracht van honderden geïsoleerde apparaten voor toepassingen in beeldvorming en hybride optische circuits.