"Как вспаханное поле перед посевом": ученые хотят выращивать лазеры на материале, обычно найденном в песке

Исследователи из Imec нашли способ выращивать лазеры прямо на кремнии. Лазеры Imec используют галлий арсенид, материал, который естественно не сочетается с кремнием. Этот прорыв может снизить стоимость и улучшить фотонные чипы для искусственного интеллекта (ИИ) и телекоммуникаций.

Фотоника использует свет для передачи данных вместо электрических сигналов, но сам кремний не может эффективно генерировать свет, поэтому требуются лазеры в качестве источников света. Установка лазеров на чипы традиционно представляет собой сложную задачу, так как кремний, материал, найденный в песке, непригоден для создания лазеров, а лучшие материалы для лазеров, такие как галлий арсенид (GaAs), не сочетаются с кремнием. Существующие методы требуют соединения этих материалов на кремнии, что является дорогим и расточительным процессом.

Ученые из исследовательского центра Imec в Бельгии нашли решение этой проблемы, которое заключается в выращивании лазеров прямо на кремнии. Этот открытие может привести к созданию более дешевых и масштабируемых фотонных устройств, что потенциально преобразует применения в области передачи данных, машинного обучения (МЛ) и ИИ.

В своем подходе Imec, описанном в статье в журнале Nature, они используют наноридж-инженерию, которая ограничивает дефекты, которые могли бы ухудшить производительность лазеров. Исследователи начинают с покрытия кремниевой подложки слоем диоксида кремния и вырезают желоба в форме стрел ("как поле, которое готовят перед посевом", как описывает IEEE Spectrum). Затем галлий арсенид откладывается в эти желоба, где он контактирует с кремнием только внизу. Это расположение позволяет удерживать дефекты внутри желобов и предотвращает их распространение на лазерный материал сверху.

Лазеры используют многослойные колодцы из индия-галлия арсенида (InGaAs) в качестве оптической области усиления света и встроены в структуру диода типа p-i-n. Они работают при комнатной температуре с непрерывным электрическим подводом энергии, достигая пороговых токов до 5 мА и выходных мощностей до 1,75 мВт.

“За последние годы Imec ведущую роль играла в разработке наноридж-инженерии, технологии, которая основана на выборочном росте (SAG) и эффектах соотношения сторон (ART), чтобы вырастить низкодефектные III-V нанориджи вне желобов,” — говорит Бернардette Кюнерт, научный директор Imec. “Сейчас Imec применила концепцию наноридж-инженерии для демонстрации первой полномасштабной фабрикации электроподводимых лазеров на основе GaAs на стандартных кремниевых подложках размером 300 мм, полностью в пилотной производственной линии CMOS.”

Наноридж-лазеры излучают свет на длине волны 1020 нм, что является более короткой длиной волны по сравнению с галлий арсенидом (GaAs). Если им это удастся, этот подход может предоставить масштабируемое и экономически эффективное решение для интеграции лазеров в фотонику на кремнии, открывая путь к высокопроизводительным оптическим устройствам будущего.