Per la prima volta, i ricercatori hanno fabbricato diodi laser nel medio infrarosso ad alte prestazioni direttamente su substrati di silicio compatibili con la microelettronica. I nuovi laser potrebbero consentire lo sviluppo diffuso di sensori a basso costo in tempo reale, rilevamento ambientale accurato per applicazioni come il monitoraggio dell'inquinamento atmosferico, analisi della sicurezza alimentare, e rilevamento di perdite nei tubi.

"La maggior parte dei sensori chimici ottici si basa sull'interazione tra la molecola di interesse e la luce nel medio infrarosso, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Eric Tournié dell'Università di Montpellier in Francia. "La fabbricazione di laser nel medio infrarosso su silicio compatibile con la microelettronica può ridurre notevolmente i loro costi perché possono essere realizzati utilizzando le stesse tecniche di elaborazione ad alto volume utilizzate per realizzare la microelettronica di silicio che alimentano telefoni cellulari e computer."

Il nuovo approccio alla fabbricazione è descritto in ottica , La rivista della Optical Society (OSA) per la ricerca ad alto impatto. Il lavoro è stato condotto presso le strutture EXTRA e nell'ambito del consorzio REDFINCH, che si sta sviluppando miniaturizzato, sensori ottici portatili a basso costo per il rilevamento di sostanze chimiche sia nei gas che nei liquidi.

"Per questo progetto, stiamo lavorando a monte sviluppando dispositivi fotonici per futuri sensori, " disse Tournié. "In una fase successiva, questi nuovi laser nel medio infrarosso potrebbero essere combinati con componenti fotonici al silicio per creare intelligenti, sensori fotonici integrati."

Fabbricazione compatibile con il settore

I diodi laser sono fatti di materiali semiconduttori che convertono l'elettricità in luce. La luce nel medio infrarosso può essere creata utilizzando un tipo di semiconduttore noto come III-V. Da circa un decennio, i ricercatori hanno lavorato alla deposizione di materiale semiconduttore III-V sul silicio utilizzando un metodo noto come epitassia.

Sebbene i ricercatori abbiano precedentemente dimostrato i laser su substrati di silicio, quei substrati non erano compatibili con gli standard industriali per la fabbricazione di microelettronica. Quando si utilizza silicio compatibile con il settore, le differenze nelle strutture materiali del silicio e del semiconduttore III-V causano la formazione di difetti.

"Un particolare difetto chiamato confine anti-fase è un killer del dispositivo perché crea cortocircuiti, " disse Tournié. "In questo nuovo lavoro, abbiamo sviluppato un approccio epitassiale che impedisce a questi difetti di raggiungere la parte attiva di un dispositivo."

I ricercatori hanno anche migliorato il processo utilizzato per fabbricare il diodo laser dal materiale epitassiale. Di conseguenza, sono stati in grado di creare un'intera struttura laser su un substrato di silicio compatibile con l'industria con una singola corsa di uno strumento epitassiale.

Laser ad alte prestazioni

I ricercatori hanno dimostrato il nuovo approccio producendo diodi laser nel medio infrarosso che operavano in modalità a onda continua e mostravano basse perdite ottiche. Ora hanno in programma di studiare la durata dei nuovi dispositivi e il modo in cui tale durata si riferisce alla fabbricazione e alla modalità di funzionamento dei dispositivi.

Dicono che una volta che il loro metodo è completamente maturo, l'epitassia di laser su substrati di silicio di grandi dimensioni (fino a 300 millimetri di diametro) utilizzando strumenti di microelettronica al silicio migliorerà il controllo del processo di fabbricazione. Questo sarà, a sua volta, ridurre ulteriormente i costi di fabbricazione del laser e consentire la progettazione di nuovi dispositivi. I nuovi laser potrebbero anche essere combinati con circuiti integrati di fotonica al silicio passivo o tecnologia CMOS per creare piccoli, basso costo, sensori fotonici intelligenti per misurazioni di gas e liquidi ad alta sensibilità.

"Il materiale semiconduttore con cui lavoriamo consente la fabbricazione di laser o fotorivelatori operanti in un'ampia gamma spettrale, da 1,5 micron (banda telecom) a 25 micron (infrarosso lontano), " ha affermato Tournié. "Il nostro metodo di fabbricazione può essere applicato in qualsiasi campo in cui sia necessario integrare semiconduttori III-V su piattaforme di silicio. Per esempio, abbiamo già fabbricato laser a cascata quantica che emettono a 8 micron applicando questo nuovo approccio epitassiale".