新的制造方法为低成本中红外激光传感铺平了道路

时间:2020-04-06 18:37 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

新的制造方法为低成本中红外激光传感铺平了道路

研究人员首次在与微电子兼容的硅衬底上直接制备了高性能中红外激光二极管。这种新型激光器可以使低成本传感器的广泛发展成为可能,这些传感器可用于空气污染监测、食品安全分析和管道泄漏检测等领域的实时、准确的环境传感。

“大多数光学化学传感器都是基于感兴趣的分子和中红外线之间的相互作用,”研究小组负责人、法国蒙佩利埃大学的埃里克·托尔尼说。“在与微电子兼容的硅材料上制造中红外激光,可以极大地降低成本,因为它们可以使用与制造硅微电子产品相同的大批量加工技术制造,而硅微电子产品为手机和电脑提供动力。”

这种新的制造方法发表在Optica光学协会(OSA)的高影响研究期刊上。这项工作是在额外的设施中进行的,并作为REDFINCH财团的一部分,该财团正在开发用于气体和液体化学检测的小型便携式低成本光学传感器。

“对于这个项目,我们正在上游工作,为未来的传感器开发光子设备,”Tournie说。“在稍后的阶段,这些新的中红外激光器可以与硅光子学组件相结合,创造出智能的、集成的光子传感器。”

Industry-compatible制造

激光二极管是由半导体材料制成的,它能把电转换成光。中红外线可以用一种被称为III-V的半导体来产生。大约十年来,研究人员一直致力于用一种被称为外延的方法在硅上沉积III-V半导体材料。

尽管研究人员先前在硅衬底上演示了激光,但这些衬底不符合微电子制造的工业标准。当使用工业兼容的硅时,硅和III-V半导体材料结构的差异会导致缺陷的形成。

“一种称为反相边界的特殊缺陷是设备杀手,因为它会造成短路,”Tournie说。“在这项新工作中,我们开发了一种外延方法,防止这些缺陷到达器件的活性部分。”

研究人员还改进了用外延材料制作激光二极管的工艺。因此,他们能够创建一个完整的激光结构上的工业兼容的硅基板与单一运行的外延工具。

高性能激光

研究人员通过生产中红外激光二极管演示了这种新方法,这种二极管在连续波模式下工作,具有低的光学损耗。他们现在计划研究新设备的寿命,以及寿命如何与设备的制造和操作模式相关。

他们表示,一旦他们的方法完全成熟,使用硅微电子工具在大型硅衬底(直径可达300毫米)上进行激光外延,将改善对制造过程的控制。这将进一步降低激光制造成本,并使新设备的设计成为可能。这种新型激光器还可以与无源硅光子学集成电路或CMOS技术相结合,以创建小型、低成本、智能的光子传感器,用于高灵敏度的气体和液体测量。

“我们使用的半导体材料允许在宽光谱范围内制造激光或光电探测器,从1.5微米(电信波段)到25微米(远红外波段),”Tournie说。“我们的制造方法可以应用于任何需要在硅平台上集成III-V半导体的领域。例如,我们已经用这种新的外延方法制造了8微米发射的量子级联激光器。”

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