Pela primeira vez, pesquisadores fabricaram diodos de laser infravermelho médio de alto desempenho diretamente em substratos de silício compatíveis com microeletrônica. Os novos lasers podem permitir o desenvolvimento generalizado de sensores de baixo custo para tempo real, detecção ambiental precisa para aplicações como monitoramento da poluição do ar, análise de segurança alimentar, e detecção de vazamentos em tubulações.

"A maioria dos sensores químicos ópticos são baseados na interação entre a molécula de interesse e a luz infravermelha média, "disse o líder da equipe de pesquisa Eric Tournié, da Universidade de Montpellier, na França." A fabricação de lasers de infravermelho médio em silício compatível com microeletrônica pode reduzir muito seu custo porque podem ser feitos usando as mesmas técnicas de processamento de alto volume usadas para fazer a microeletrônica de silício que alimentam telefones celulares e computadores. "

A nova abordagem de fabricação é descrita em Optica , O jornal da Optical Society (OSA) para pesquisas de alto impacto. O trabalho foi realizado nas instalações EXTRA e como parte do consórcio REDFINCH, que está se desenvolvendo miniaturizado, sensores óticos portáteis de baixo custo para detecção de produtos químicos em gases e líquidos.

"Para este projeto, estamos trabalhando a montante, desenvolvendo dispositivos fotônicos para sensores futuros, "disse Tournié." Numa fase posterior, esses novos lasers de infravermelho médio podem ser combinados com componentes fotônicos de silício para criar sensores fotônicos integrados. "

Fabricação compatível com a indústria

Os diodos laser são feitos de materiais semicondutores que convertem eletricidade em luz. A luz infravermelha média pode ser criada usando um tipo de semicondutor conhecido como III-V. Por cerca de uma década, os pesquisadores têm trabalhado no depósito de material semicondutor III-V em silício usando um método conhecido como epitaxia.

Embora os pesquisadores tenham demonstrado anteriormente lasers em substratos de silício, esses substratos não eram compatíveis com os padrões da indústria para fabricação de microeletrônica. Ao usar silício compatível com a indústria, diferenças nas estruturas materiais do silício e do semicondutor III-V causam a formação de defeitos.

"Um defeito específico denominado limite antifase é um exterminador de dispositivos porque cria curtos-circuitos, "disse Tournié." Neste novo trabalho, desenvolvemos uma abordagem epitaxial que evita que esses defeitos atinjam a parte ativa de um dispositivo. "

Os pesquisadores também aprimoraram o processo usado para fabricar o diodo laser a partir do material epitaxial. Como resultado, eles foram capazes de criar uma estrutura de laser inteira em um substrato de silício compatível com a indústria com uma única execução de uma ferramenta epitaxial.

Lasers de alto desempenho

Os pesquisadores demonstraram a nova abordagem ao produzir diodos de laser infravermelho médio que operavam em modo de onda contínua e exibiam baixas perdas ópticas. Eles agora planejam estudar a vida útil dos novos dispositivos e como essa vida se relaciona com a fabricação e o modo de operação dos dispositivos.

Eles dizem que uma vez que seu método esteja totalmente maduro, epitaxia de lasers em grandes substratos de silício (até 300 milímetros de diâmetro) usando ferramentas de microeletrônica de silício irá melhorar o controle do processo de fabricação. Isso vai, por sua vez, reduzir ainda mais os custos de fabricação do laser e permitir o design de novos dispositivos. Os novos lasers também podem ser combinados com circuitos integrados de fotônica de silício passivo ou tecnologia CMOS para criar pequenos, baixo custo, sensores fotônicos inteligentes para medições de gases e líquidos com alta sensibilidade.

"O material semicondutor com que trabalhamos permite a fabricação de lasers ou fotodetectores operando em uma ampla faixa espectral, de 1,5 mícrons (banda de telecomunicações) a 25 mícrons (infravermelho distante), "disse Tournié." Nosso método de fabricação pode ser aplicado em qualquer campo onde seja necessário integrar semicondutores III-V em plataformas de silício. Por exemplo, já fabricamos lasers em cascata quântica emitindo a 8 mícrons, aplicando esta nova abordagem epitaxial. "