הכנת ננו-לייזרים המחוברים לסיליקון

מהנדסים מאוניברסיטת ברקלי, קליפורניה, מצאו דרך לחיבור ננו-לייזרים ישירות למשטח סיליקון, הישג שיוכל להוביל לפיתוחה של משפחה חדשה של מיקרו-מעבדים מהירים ויעילים יותר, וכן חיישנים ביוכימיים עוצמתיים המשתמשים בשבבים אופטו-אלקטרוניים

ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Photonics.

“לממצאי המחקר שלנו יש השפעה על קשת רחבה של תחומי מדע, בכללם מדע החומרים, טכנולוגיית טרנזיסטורים, מדעי לייזר, אופטו-אלקטרוניקה ופיסיקה אופטית,” אמרה החוקרת הראשית Connie Chang-Hasnain, פרופסור להנדסה אלקטרונית ומדעי המחשב.

דרישות הביצועים ההולכות וגדלות בתחום האלקטרוניקה הובילו חוקרים רבים לחיפוש אחר דרכים טובות יותר לרתימת היכולת הטבועה בחלקיקי אור להעביר הרבה יותר מידע מאשר יכולים לעשות זאת אותות חשמליים. חיבורים אופטיים נחשבים כפיתרון שיוכל להתגבר על צוואר הבקבוק בתקשורת שבתוככי ובין שבבי מחשב.

מאחר וסיליקון, החומר בבסיס רכיבי-האלקטרוניקה דהיום, הוא מפיק אור ירוד במיוחד, מהנדסים פנו למשפחת חומרים אחרת הידועה בשם III-V (משפחת שלוש-חמש) מוליכים-למחצה על-מנת ליצור רכיבים מבוססי אור כגון דיודות פולטות אור (LED) ולייזרים.

אולם החוקרים גילו כי המיזוג של חומרים אלו וסיליקון בכדי לייצר שבב אופטו-אלקטרוני ממוזג היה בעייתי. ראשית, כיוון שהמבנים האטומיים של שני החומרים בלתי תואמים.

“יצירת שכבות של מוליכים-למחצה מסוג 3-5 ע”ג סיליקון היא כמו לאלץ שתי פיסות תצרף בלתי-תואמות לחבור זו לזו,” אמר הכותב הראשי Roger Chen מאוניברסיטת ברקלי. “הדבר אפשרי, אולם החומרים ניזוקים במהלך התהליך.”

נוסף על כך, תעשיית הייצור מותאמת להפקת חומרים מבוססי-סיליקון, ולכן, בשל טעמים מעשיים, היעד עד כה היה לשלב התקנים המבוססים על המוליכים למחצה ממשפחה זו בתוך תשתיות קיימות, מסבירים החוקרים.

“תשתית רכיבי-האלקטרוניקה מבוססי-הסיליקון כה גדולה היום וקשה לשנותה, הן בשל סיבות כלכליות והן בשל סיבות טכנולוגיות, כך שרמת התאימות לייצור עם סיליקון חיונית,” מסביר החוקר. “אחת הבעיות הינה בכך שיצירת מוליכים-למחצה ממשפחה זו כרוכה בדר”כ בתהליכים שבהם משתמשים בטמפרטורה גבוהה – 700 מעלות צלזיוס או יותר – אשר תהרוס את רכיבי האלקטרוניקה. בינתיים, גישות שילוב אחרות עדיין לא הותאמו לקנה-מידה תעשייתי.”

החוקרים מצאו דרך להתגבר על בעיה זו באמצעות הצמחת ננו-עמודים המורכבים מאינדיום-גאליום-ארסניד, חומר ממשפחת 3-5, ע”ג משטח סיליקון בטמפרטורה “קרה” יחסית של 400 מעלות צלזיוס בלבד.

“עבודה בקנה-מידה ננומטרי אפשרה לנו להצמיח חומרים ממשפחת 3-5 בעלי איכות גבוהה בטמפרטורות מספיק נמוכות שתתאמנה לרכיבי אלקטרוניקה מבוססי סיליקון תוך שימור פעילותם המקורית,” אמר החוקר.

החוקרים השתמשו בשיטה של CVD (ריבוץ אדים כימי) מתכתית-אורגנית על-מנת להצמיח ננו-עמודים ע”ג הסיליקון. “שיטה זו תוכל לאפשר יכולת ייצור תעשייתית, מכיוון שמערכת זו כבר היום משמשת באופן מסחרי ליצירת תאים סולאריים המכילים שכבות זעירות ודיודות פולטות אור,” אמר החוקר.

מרגע שהתקבל ננו-העמוד, החוקרים הראו שהוא מסוגל לפלוט אור לייזר בתחום של תת-אדום קרוב – אורך-גל של כ- 950 ננומטרים – בטמפרטורת החדר. התצורה המשושה, שהוכתבה ע”י מבנה הגביש של ננו-העמודים, מפיקה נישה אופטית לוכדת אור חדשנית ויעילה. האור נע בחופשיות מעלה-מטה ע”ג המבנה באופן ספיראלי ומוגבר באמצעות מנגנון משוב אופטי זה.

הגישה הייחודית של הצמחת ננו-לייזרים ישירות ע”ג משטחי סיליקון תוכל להוביל לרכיבים פוטוניים מבוססי-סיליקון יעילים מאוד, מציינים החוקרים. החוקרים מסבירים כי מימדיהם הקטנים של ננו-העמודים מאפשרים לערום אותם אחת ע”ג השנייה לערמות קטנות בהשקעת אנרגיה נמוכה.

“בסופו של דבר, שיטה זו תוכל לספק מסלול חדשני ויעיל ליצירת התקנים ננו-פוטוניים ע”ג שבב כגון לייזרים, פוטו-חיישנים, מאפננים ותאים סולאריים,” אומרים החוקרים.

“זוהי הפעם הראשונה ששיטה של מטה-מעלה יושמה עבור חיבור ננו-לייזרים מסוג 3-5 לשבבי סיליקון באמצעות תהליך הצמחה המתאים לטכנולוגיה המשמשת כיום ליצירת מוליכים למחצה מסוג תחמוצות מתכת ומעגלים מודפסים,” מסביר החוקר. “במחקר שלנו טמונה היכולת להאיץ מהפכה אופטו-אלקטרונית בתחומים של מחשבים, תקשורת, צגים והתקנים לעיבוד אותות אופטיים. בעתיד, כך מקווים החוקרים, ניתן יהיה לשפר עוד את המאפיינים של לייזרים אלו ובסופו של דבר להגיע לשליטה עליהם בכדי לשלב בין התקנים אלקטרוניים להתקנים פוטוניים.”

הידיעה על המחקר