研究人員首次在兼容微電子的硅基板上直接制造了高性能的中紅外激光二極管。新的激光器可以促進(jìn)低成本傳感器的廣泛開發(fā)，從而為諸如空氣污染監(jiān)測(cè)、食品安全分析和檢測(cè)管道泄漏等應(yīng)用提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的環(huán)境傳感。

來自法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)的研究小組負(fù)責(zé)人埃里克·圖爾尼（EricTournié）說：“大多數(shù)光學(xué)化學(xué)傳感器都是基于分子與中紅外光之間的相互作用。在與微電子兼容的硅上制造中紅外激光可以極大地降低其成本，因?yàn)樗鼈兛梢允褂门c手機(jī)和計(jì)算機(jī)所用的硅微電子相同的大批量加工技術(shù)來制造?！?/span>

Tournié說：“在這個(gè)項(xiàng)目中，我們正在通過開發(fā)用于未來傳感器的上游光子器件進(jìn)行工作。稍后，這些新的中紅外激光器可以與硅光子組件組合在一起，以創(chuàng)建智能的集成光子傳感器?！?/span>

激光二極管由將電轉(zhuǎn)換為光的半導(dǎo)體材料制成，可以使用一種稱為III-V的半導(dǎo)體來產(chǎn)生中紅外光。十幾年來，研究人員一直在使用一種稱為外延的方法在硅上沉積III-V半導(dǎo)體材料。

盡管研究人員之前在硅基板上演示了激光器，但這些基板與微電子制造的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不兼容。當(dāng)使用行業(yè)兼容的硅時(shí)，硅和III-V半導(dǎo)體的材料結(jié)構(gòu)差異會(huì)導(dǎo)致形成缺陷。

Tournié說：“一種稱為反相邊界的特殊缺陷是設(shè)備殺手，因?yàn)樗鼤?huì)造成短路。在這項(xiàng)新工作中，我們開發(fā)了一種外延方法，以防止這些缺陷到達(dá)器件的有源部分?！?/span>

研究人員還改進(jìn)了由外延材料制造激光二極管的工藝，能夠通過一次外延工具在行業(yè)兼容的硅基板上創(chuàng)建整個(gè)激光結(jié)構(gòu)。

研究人員通過生產(chǎn)以連續(xù)波模式工作且光損耗低的中紅外激光二極管，展示了這種新方法。他們現(xiàn)在計(jì)劃研究新設(shè)備的壽命以及該壽命與設(shè)備的制造和操作模式之間的關(guān)系。

他們說，一旦他們的方法完全成熟，使用硅微電子工具在大型硅襯底（最大300毫米寬）上外延激光將改善對(duì)制造過程的控制。反過來，這將進(jìn)一步降低激光器的制造成本，并使新設(shè)備的設(shè)計(jì)成為可能。新的激光器還可以與無源硅光子集成電路或CMOS技術(shù)結(jié)合使用，以創(chuàng)建小型，低成本，智能的光子傳感器，以高靈敏度進(jìn)行氣體和液體測(cè)量。

Tournié說：“與我們合作的半導(dǎo)體材料允許制造在1.5微米（電信頻段）到25微米（遠(yuǎn)紅外線）的寬光譜范圍內(nèi)工作的激光器或光電探測(cè)器。我們的制造方法可以應(yīng)用于需要在硅平臺(tái)上集成III-V半導(dǎo)體的任何領(lǐng)域。例如，我們已經(jīng)通過應(yīng)用這種新的外延方法制造了發(fā)射8微米波長(zhǎng)的量子級(jí)聯(lián)激光器?！?/span>

論文標(biāo)題為《Mid-infrared laser diodes epitaxially grown on on-axis (001) silicon》。