Eindimensionale photonische Kristall-Nano-Ridge-flächenaussendende Laser epitaktisch auf einer standardmäßigen 300 mm-Siliziumwafer gewachsen

Neue winzige Laser für Siliziumchips

Laser sind die unsichtbaren Arbeitspferde in Rechenzentren, Smartphones und Sensoren. Die heute gebräuchlichsten winzigen Laser, sogenannte VCSELs, sind jedoch schwer in vielen Wellenlängen herzustellen und lassen sich nicht leicht mit den Siliziumchips integrieren, die unsere Elektronik steuern. Diese Arbeit zeigt eine neue Art mikroskopischer Laser, die direkt auf einem standardmäßigen 300‑mm‑Siliziumwafer gewachsen werden und On‑Chip‑Lichtquellen günstiger, vielseitiger und einfacher skalierbar machen könnten.

Warum heutige Chip‑Laser nicht ausreichen

Vertikalresonator‑flächenaussendende Laser (VCSELs) sind beliebt, weil sie kompakt sind und direkt auf dem Wafer getestet werden können. Sie beruhen jedoch auf dicken Stapeln präzise gewachsener Spiegelmaterialien und funktionieren am besten nur bei einigen Standardwellenlängen wie 850 und 980 Nanometern. Ihre Verschiebung zu längeren Wellenlängen, wie sie für Telekommunikation oder Sensorik gebraucht werden, ist schwierig und kostspielig. Viele verschiedene Wellenlängen auf demselben Wafer zu realisieren ist noch anspruchsvoller, und die direkte Kombination von VCSELs mit konventioneller siliziumbasierter Elektronik wird selten praktiziert. Diese Einschränkungen treiben die Suche nach Laserdesigns voran, die einfacher zu wachsen, leichter abstimmbar und natürlich kompatibel mit der Siliziumfertigung sind.

Laseraufbau aus Nano‑Ridges

Die Autoren verwenden eine Technik namens Aspect‑Ratio‑Trapping und Nano‑Ridge‑Engineering, um hochwertiges lichtemittierendes Material direkt auf strukturiertem Silizium zu züchten. Anstatt eine durchgehende Schicht zu bilden, entsteht das aktive Material als regelmäßiges Array extrem schmaler, hoher Streifen, so genannter Nano‑Ridges. Dieses eingebaute Muster wirkt wie ein eindimensionaler photonischer Kristall: die sich wiederholende Abfolge hochbrechender Ridges und Luftspalten formt stark, wie Licht sich ausbreiten kann. Durch sorgfältige Wahl von Ridgetiefe, -breite und -abstand entwirft das Team einen „Slow‑Light“-Modus am Rand des photonenbandes — den Punkt, an dem Licht effektiv über die Struktur kriecht. Diese langsame, stehende Welle liefert starke optische Rückkopplung, sodass das Array selbst als Laserkavität dient und Licht senkrecht zur Chipoberfläche abstrahlt.

Lichtfallen für effizienten Betrieb

Der zentrale physikalische Trick besteht darin, sogenannte bound states in the continuum auszunutzen, spezielle optische Modi, die in einem Frequenzbereich liegen, in dem Strahlung erlaubt ist, aber aufgrund von Symmetrie dennoch gebunden bleiben. In einem idealen unendlichen Array würden einige dieser Modi überhaupt nicht auslaufen. In einem realen, endlichen Bauteil brechen leichte Unvollkommenheiten und die begrenzte Größe die Symmetrie gerade so weit, dass kontrollierte vertikale Emission möglich wird, während die optischen Verluste gering bleiben. Simulationen zeigen, welche Modi am besten mit den Nano‑Ridge‑Quantentöpfen koppeln und wie sich ihre Farbe ändert, wenn Ridge‑Breite, Periode oder Höhe verändert werden. Die wichtigsten Parameter sind die Ridge‑Breite und der Abstand, mit denen sich die Emission über das Verstärkungsband des Materials abstimmen lässt, grob von 980 bis 1060 Nanometer, ohne das zugrunde liegende Halbleiterrezept zu verändern.

Vom Entwurf zu funktionierenden Bauteilen

Um das Konzept des unendlichen Arrays in kompakte Pixel zu überführen, definiert das Team endliche Abschnitte von Nano‑Ridge‑Arrays und umgibt sie lateral mit „Spiegel“-Regionen. Anstatt die Periode zu ändern, modifizieren sie leicht den Brechungsindex, indem sie nahegelegene Spalten mit einem transparenten Material füllen, was das lokale photonische Band verschiebt und Licht in die zentrale Kavität zurückreflektiert. Experimente an vielen Bauteilen mit unterschiedlichen Kavitätsgrößen zeigen, wie die Laserschwelle von der Breite abhängt: breitere Kavitäten haben im Allgemeinen niedrigere Schwellen, weil sie Licht besser einschließen, aber jenseits von etwa 35 Mikrometern sättigt der Nutzen und Unordnung wird relevant. Die besten Bauteile zeigen Raumtemperaturlasen mit Schwellen von nur 5–10 Kilowatt pro Quadratzentimeter, schmale Spektrallinien, starke Polarisation entlang der Ridges und saubere, enge Strahlen mit Winkelverteilungen unter etwa 10 Grad.

Was das für zukünftige Technologien bedeuten könnte

Vereinfacht gesagt haben die Autoren gezeigt, dass Reihen winziger Halbleiterridges, direkt auf einem standardmäßigen Siliziumwafer gewachsen, als effiziente flächenaussendende Laser wirken können, deren Farbe hauptsächlich durch Geometrie bestimmt wird. Da der Ansatz auf etablierten Siliziumprozessen aufbaut, eignet er sich gut für Großserienfertigung und für die Ko‑Integration mit photonischen und elektronischen Schaltungen. Durch Anpassung der Materialzusammensetzung könnte dieselbe Plattform von nahe‑infraroten Datenverbindungen auf längere Wellenlängen erweitert werden, die in LIDAR, Umweltsensorik und Spektroskopie verwendet werden. Mit künftiger Arbeit an elektrischer Injektion und Elektroden‑Design könnten diese Nano‑Ridge‑flächenaussendenden Laser praxisnahe On‑Chip‑Lichtquellen für ein breites Anwendungsspektrum werden.

Zitation: Fahmy, E.M.B., Ouyang, Z., Colucci, D. et al. One-dimensional photonic crystal nano-ridge surface emitting lasers epitaxially grown on a standard 300 mm silicon wafer. Light Sci Appl 15, 120 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02061-z

Schlüsselwörter: Siliziumphotonik, flächenaussendende Laser, photonische Kristalle, Nano-Ridge-Laser, integrierte Optoelektronik