Por primera vez, Los investigadores han fabricado diodos láser de infrarrojo medio de alto rendimiento directamente sobre sustratos de silicio compatibles con microelectrónica. Los nuevos láseres podrían permitir el desarrollo generalizado de sensores de bajo costo para tiempo real, detección ambiental precisa para aplicaciones como el control de la contaminación del aire, análisis de seguridad alimentaria, y detección de fugas en tuberías.

"La mayoría de los sensores químicos ópticos se basan en la interacción entre la molécula de interés y la luz del infrarrojo medio, ", dijo el líder del equipo de investigación Eric Tournié de la Universidad de Montpellier en Francia." Fabricar láseres de infrarrojo medio en silicio compatible con microelectrónica puede reducir en gran medida su costo porque se pueden fabricar utilizando las mismas técnicas de procesamiento de alto volumen utilizadas para fabricar la microelectrónica de silicio que alimentan los teléfonos móviles y las computadoras ".

El nuevo enfoque de fabricación se describe en Optica , Revista de la Optical Society (OSA) para investigaciones de alto impacto. El trabajo se realizó en las instalaciones de EXTRA y como parte del consorcio REDFINCH, que se está desarrollando miniaturizado, Sensores ópticos portátiles de bajo coste para la detección de sustancias químicas tanto en gases como en líquidos.

"Para este proyecto, estamos trabajando en sentido ascendente mediante el desarrollo de dispositivos fotónicos para futuros sensores, "dijo Tournié." En una etapa posterior, Estos nuevos láseres de infrarrojo medio podrían combinarse con componentes fotónicos de silicio para crear dispositivos inteligentes, sensores fotónicos integrados ".

Fabricación compatible con la industria

Los diodos láser están hechos de materiales semiconductores que convierten la electricidad en luz. La luz del infrarrojo medio se puede crear utilizando un tipo de semiconductor conocido como III-V. Durante aproximadamente una década, los investigadores han estado trabajando para depositar material semiconductor III-V sobre silicio utilizando un método conocido como epitaxia.

Aunque los investigadores demostraron previamente láseres en sustratos de silicio, esos sustratos no eran compatibles con los estándares de la industria para la fabricación de microelectrónica. Cuando se utiliza silicona compatible con la industria, las diferencias en las estructuras de los materiales del silicio y el semiconductor III-V provocan la formación de defectos.

"Un defecto particular llamado límite anti-fase es un asesino del dispositivo porque crea cortocircuitos, "dijo Tournié." En este nuevo trabajo, desarrollamos un abordaje epitaxial que evita que estos defectos lleguen a la parte activa de un dispositivo ".

Los investigadores también mejoraron el proceso utilizado para fabricar el diodo láser a partir del material epitaxial. Como resultado, pudieron crear una estructura láser completa sobre un sustrato de silicio compatible con la industria con una sola pasada de una herramienta epitaxial.

Láseres de alto rendimiento

Los investigadores demostraron el nuevo enfoque mediante la producción de diodos láser de infrarrojo medio que funcionaban en modo de onda continua y presentaban bajas pérdidas ópticas. Ahora planean estudiar la vida útil de los nuevos dispositivos y cómo esa vida se relaciona con el modo de fabricación y operación de los dispositivos.

Dicen que una vez que su método esté completamente maduro, La epitaxia de láseres sobre grandes sustratos de silicio (hasta 300 milímetros de diámetro) utilizando herramientas de microelectrónica de silicio mejorará el control del proceso de fabricación. Esta voluntad, Sucesivamente, reducir aún más los costos de fabricación láser y permitir el diseño de nuevos dispositivos. Los nuevos láseres también podrían combinarse con circuitos integrados de fotónica de silicio pasivo o tecnología CMOS para crear pequeños, bajo costo, Sensores fotónicos inteligentes para mediciones de gases y líquidos con alta sensibilidad.

"El material semiconductor con el que trabajamos permite la fabricación de láseres o fotodetectores que operan en un amplio rango espectral, de 1,5 micrones (banda de telecomunicaciones) a 25 micrones (infrarrojo lejano), ", dijo Tournié." Nuestro método de fabricación se puede aplicar en cualquier campo donde se necesite integrar semiconductores III-V en plataformas de silicio. Por ejemplo, ya hemos fabricado láseres de cascada cuántica que emiten a 8 micrones aplicando este nuevo enfoque epitaxial ".