【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】研究人員在微電子兼容的硅基板上直接制造了高性能中紅外激光二極管。這種新型激光器可以廣泛開發(fā)低成本傳感器，用于空氣污染監(jiān)測(cè)、食品安全分析和檢測(cè)管道泄漏等應(yīng)用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的環(huán)境傳感。
法國蒙彼利埃大學(xué)(University of Montpellier)的研究小組組長埃里克•圖尼(Eric Tournié)說：“大多數(shù)光學(xué)化學(xué)傳感器都是基于感興趣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器可以大大降低成本，因?yàn)樗鼈兛梢允褂门c制造用于手機(jī)和計(jì)算機(jī)供電的硅微電子相同的大容量處理技術(shù)來制造。”
這種新的制造方法在Optica(光學(xué)協(xié)會(huì)(OSA)雜志)上進(jìn)行了高沖擊研究。這項(xiàng)工作是在額外的設(shè)施以及“紅雀聯(lián)盟”的一部分下進(jìn)行的，該聯(lián)盟正在開發(fā)用于便攜式氣體和液體化學(xué)檢測(cè)的小型便攜式低成本光學(xué)傳感器。
圖尼說：“在這個(gè)項(xiàng)目中，我們正在通過開發(fā)用于未來傳感器的光子器件進(jìn)行上游工作。在后期階段，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。”
行業(yè)兼容的制造
激光二極管是由半導(dǎo)體材料制成的，能把電轉(zhuǎn)化為光。中紅外光可以用一種叫做III-V的半導(dǎo)體產(chǎn)生。大約十年來，研究人員一直致力于用一種叫做外延的方法在硅上沉積III-V半導(dǎo)體材料。
盡管研究人員先前在硅基片上演示了激光，但這些基片并不符合微電子制造的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)使用工業(yè)兼容硅時(shí)，硅和III-V半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)的差異會(huì)導(dǎo)致形成缺陷。
圖尼說：“一種叫做反相位邊界的特殊缺陷是一種設(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，防止這些缺陷到達(dá)器件的有源部分。”
研究人員還改進(jìn)了用外延材料制造激光二極管的工藝。結(jié)果，他們能夠在工業(yè)兼容的硅基板上用一次外延工具制造出一個(gè)完整的激光結(jié)構(gòu)。
高性能激光器
研究人員通過生產(chǎn)連續(xù)波模式工作且光學(xué)損耗低的中紅外激光二極管證明了這一新方法。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硅襯底(直徑達(dá)300毫米)上外延激光將改善制造過程的控制。反過來，這將進(jìn)一步降低激光制造成本，并使新器件的設(shè)計(jì)成為可能。這種新型激光器還可以與無源硅光子學(xué)集成電路或CMOS技術(shù)相結(jié)合，制造出小型、低成本、高靈敏度的用于氣體和液體測(cè)量的智能光子傳感器。
圖尼說：“我們使用的半導(dǎo)體材料可以制造在1.5微米(電信波段)到25微米(遠(yuǎn)紅外)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)用于任何需要在硅平臺(tái)上集成III-V半導(dǎo)體的領(lǐng)域。例如，我們已經(jīng)用這種新的外延方法制造出了8微米的量子級(jí)聯(lián)激光器。”
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