高性能中红外激光二极管为低成本光学传感器开发铺平道路

文章来源：未知时间：Mar 30, 2020

研究人员首次在微电子兼容的硅基板上直接制造了高性能中红外激光二极管。这种新型激光器可以广泛开发低成本传感器，用于空气污染监测、食品安全分析和检测管道泄漏等应用的实时、准确的环境传感。

　　法国蒙彼利埃大学(University of Montpellier)的研究小组组长埃里克•图尼(Eric Tournié)说：“大多数光学化学传感器都是基于感兴趣分子与中红外光之间的相互作用。在与微电子兼容的硅上制造中红外激光器可以大大降低成本，因为它们可以使用与制造用于手机和计算机供电的硅微电子相同的大容量处理技术来制造。”

　　这种新的制造方法在Optica(光学协会(OSA)杂志)上进行了高冲击研究。这项工作是在额外的设施以及“红雀联盟”的一部分下进行的，该联盟正在开发用于便携式气体和液体化学检测的小型便携式低成本光学传感器。

　　图尼说：“在这个项目中，我们正在通过开发用于未来传感器的光子器件进行上游工作。在后期阶段，这些新的中红外激光器可以与硅光子组件组合在一起，以创建智能的集成光子传感器。”

　　行业兼容的制造

　　激光二极管是由半导体材料制成的，能把电转化为光。中红外光可以用一种叫做III-V的半导体产生。大约十年来，研究人员一直致力于用一种叫做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基片上演示了激光，但这些基片并不符合微电子制造的行业标准。当使用工业兼容硅时，硅和III-V半导体材料结构的差异会导致形成缺陷。

　　图尼说：“一种叫做反相位边界的特殊缺陷是一种设备杀手，因为它会造成短路。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有源部分。”

　　研究人员还改进了用外延材料制造激光二极管的工艺。结果，他们能够在工业兼容的硅基板上用一次外延工具制造出一个完整的激光结构。

　　高性能激光器

　　研究人员通过生产连续波模式工作且光学损耗低的中红外激光二极管证明了这一新方法。他们现在计划研究新设备的寿命以及该寿命与设备的制造和操作模式之间的关系。

　　他们说，一旦他们的方法完全成熟，使用硅微电子工具在大硅衬底(直径达300毫米)上外延激光将改善制造过程的控制。反过来，这将进一步降低激光制造成本，并使新器件的设计成为可能。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，制造出小型、低成本、高灵敏度的用于气体和液体测量的智能光子传感器。

　　图尼说：“我们使用的半导体材料可以制造在1.5微米(电信波段)到25微米(远红外)宽光谱范围内工作的激光器或光电探测器。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出了8微米的量子级联激光器。”

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