Een onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara, heeft een nieuwe methode gedemonstreerd voor het vervaardigen van oppervlakte-emitterende lasers met verticale holte (VCSEL's) op silicium, een aanzienlijke vooruitgang die zou kunnen leiden tot de integratie van lasers op siliciumchips voor verschillende toepassingen.

De onderzoeker, professor John Bowers, en zijn team van de afdeling Electrical and Computer Engineering van UCSB, bereikten deze prestatie door een proces genaamd 'dampfase-epitaxie' te gebruiken om lagen halfgeleiders op een siliciumsubstraat af te zetten, waardoor de VCSEL-structuur rechtstreeks op het silicium ontstond. wafeltje.

VCSEL's zijn kleine lasers die licht loodrecht op het oppervlak van de halfgeleiderchip uitstralen, waardoor ze geschikt zijn voor toepassingen in optische communicatie, detectie, beeldvorming en beeldschermen. Het rechtstreeks integreren van VCSEL's op silicium is echter al lang een uitdaging vanwege de materiaaleigenschappen en de roostermismatch tussen silicium en de samengestelde halfgeleiders die gewoonlijk in VCSEL's worden gebruikt.

De aanpak van Bowers overwint deze uitdagingen door gebruik te maken van een hybride materiaalsysteem dat silicium, aluminium, gallium, arsenide en indiumfosfide omvat. Door de groeiomstandigheden en dopingniveaus zorgvuldig te controleren, konden de onderzoekers hoogwaardige VCSEL's creëren met een lage elektrische weerstand en uitstekende optische prestaties op het siliciumsubstraat.

De geïntegreerde VCSEL's vertoonden een continue golfwerking bij kamertemperatuur, met een drempelstroomdichtheid van 1,2 kA/cm2, vergelijkbaar met de modernste VCSEL's gekweekt op conventionele substraten. De apparaten vertoonden een hoog uitgangsvermogen van 1,5 mW en een modulatiebandbreedte van 12,5 GHz.

De succesvolle demonstratie van volledig geïntegreerde VCSEL's op silicium maakt de weg vrij voor de monolithische integratie van lasers en elektronica op siliciumchips, een belangrijke stap in de richting van het realiseren van geavanceerde fotonische geïntegreerde schakelingen voor toepassingen in snelle optische communicatie, detectie en computergebruik.

"Ons werk vertegenwoordigt een cruciale mijlpaal in de integratie van lasers op silicium", aldus Bowers. "Door VCSEL's naadloos rechtstreeks op silicium te integreren, openen we nieuwe mogelijkheden voor compacte en energiezuinige opto-elektronische apparaten en systemen."

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics. Het onderzoeksteam bestond uit onderzoekers van UCSB, de University of California, Berkeley en de University of Tokyo.