Лазерные острова: исследователь показывает, как полностью интегрировать VCSEL в кремний

Как ваш телефон узнает, что это вы, когда вы используете распознавание лиц, чтобы разблокировать его? Массив крошечных лазеров освещает ваше лицо, а ваш телефон использует отражение для создания 3D-модели — мало чем отличающейся от топографической карты вашего лица. Затем программное обеспечение телефона использует это, чтобы решить, следует ли разблокировать.

Эти крошечные лазеры, называемые VCSEL (произносится как «виксели»), делают это возможным. Традиционно они используются для передачи данных на короткие расстояния, в лазерных принтерах и даже в компьютерных мышах. Однако с тех пор, как они начали появляться в основных технологиях распознавания лиц и трехмерных изображений, произошел взрыв спроса и стремление сделать их более эффективными и компактными.

Лия Эспенхан, аспирант исследовательской группы профессора электротехники и вычислительной техники Джона Даллесасса, продемонстрировала новый процесс прямой интеграции VCSEL в электронные микросхемы. Как она описала в недавнем выпуске журнала Составной полупроводник журнала, можно создавать VCSEL непосредственно на кремниевой микроэлектронике, используя метод, называемый эпитаксиальным переносом, например создание крошечных островков для лазеров в кремнии.

«По сравнению со стандартными устройствами, в которых независимо сконструированные VCSEL прикреплены к микроэлектронике, — сказал Эспенхан, — VCSEL с эпитаксиальным переносом более компактны, работают лучше и менее подвержены перегреву».

Ее также пригласили рассказать об этом методе на Международной конференции CS 2023 в Брюсселе.

Вертикально, а не боком

VCSEL, или лазеры с вертикальным резонатором, излучающие поверхность, принадлежат к классу устройств, называемых полупроводниковыми лазерами. Они создают интенсивные сфокусированные лучи света, как и другие виды лазеров, но полностью сделаны из полупроводниковых материалов. Это означает, что технологии производства, разработанные для электронных микросхем, которые также изготавливаются из полупроводниковых материалов, могут быть адаптированы для лазеров.

Многие виды полупроводниковых лазеров имеют боковое излучение, что означает, что луч света параллелен электрическим контактам. Такие устройства требуют дополнительных производственных операций, чтобы обеспечить гладкую поверхность для выхода света из материала. Напротив, VCSEL создают свет, который перпендикулярен электрическим контактам и выходит вертикально через верхний слой, упрощая производственный процесс, открывая двери для гораздо более компактных устройств.

«Поскольку VCSEL излучают свет с верхней поверхности, — сказал Кевин Пикул, еще один аспирант группы Даллесасса, — это значительно упрощает создание массивов. Всего в одном образце можно получить тысячи VCSEL».

Острова полностью интегрированных лазеров

Стандартный подход к созданию массивов VCSEL заключается в ручной пайке предварительно изготовленных лазеров на электронные микросхемы методом «перевернутого соединения» — трудоемкий процесс с ограниченной точностью. Чтобы сделать их еще меньше и эффективнее, в конечном итоге потребуется их прямая интеграция с электронными устройствами на микрочипах.

Эспенхан добился этого, взяв необработанные структуры устройств VCSEL и прикрепив их к временной платформе. После травления отдельных «островков» материала для отдельных лазеров сверху был помещен слой связующего материала. Затем временную платформу перевернули и поместили на основную кремниевую платформу, в результате чего островки прилипали. После удаления временной платформы остался массив эпитаксиально перенесенных островков, готовых к обработке в устройствах VCSEL.

Поскольку VCSEL изготавливаются после процесса переноса, их можно гораздо точнее разместить в электронной схеме, чем устройства с перевернутым кристаллом. Более того, полученные устройства обладают лучшими тепловыми свойствами, что приводит к большей управляемости.

«Поскольку у нас есть только тонкий слой эпитаксиального материала поверх кремния, — объяснил Эспенхан, — кремний быстрее отводит тепло, когда мы подаем больше энергии. Это позволяет нам лучше контролировать длину волны. [color] света и создавать устройства с более широким диапазоном рабочих характеристик».

Эпитаксиальный перенос за пределы VCSEL

Распознавание лиц — лишь один из примеров технологии под названием LiDAR, в которой отраженный лазерный свет используется для создания изображений или моделей на компьютерах. Еще одно применение LiDAR на основе VCSEL, которое становится все более популярным, — это зрение и восприятие в автономных транспортных средствах.

Но Даллесас полагает, что эпитаксиальный перенос может выйти за рамки только VCSEL.

«Поскольку мы начинаем говорить о сложных электронно-фотонных системах для таких вещей, как беспилотные автомобили, — отметил он, — мы также можем начать использовать эти методы для внедрения некремниевых функций в кремниевые платформы, чтобы сделать их более компактными. Кремний также скорость ограничена. Если бы мы хотели интегрировать высокоскоростные электронные устройства или силовые устройства, мы могли бы сделать это, используя метод эпитаксиального переноса».