Eingewachsenes Wachstum sichtbarer InP‑Quantenpunktlaser in silizumnitrid‑photonischen integrierten Schaltkreisen

Rotes Licht auf einen Chip bringen

Viele der Technologien von morgen – von Quantencomputern über ultrakleine medizinische Sensoren bis hin zu Displays der nächsten Generation – sind auf winzige, effiziente Lichtquellen angewiesen, die direkt auf einem Computerchip untergebracht werden können. Diese Arbeit zeigt, wie Forschende helle, rot emittierende Laser direkt innerhalb eines siliziumbasierten photonischen Schaltkreises wachsen ließen und damit den Weg zu kompakten, kostengünstigen optischen Chips weist, die im sichtbaren Bereich statt nur im für heutige Rechenzentren üblichen Infrarot arbeiten.

Warum sichtbares Licht auf Chips wichtig ist

Standard‑Silizium‑Chips sind hervorragend im Umgang mit elektrischen Signalen, eignen sich aber schlecht zum Leiten sichtbaren Lichts, weil Silizium es absorbiert. Ein eng verwandtes Material, Silizumnitrid, ist über einen großen Farbbereich hinweg transparent, einschließlich eines Großteils des sichtbaren Spektrums, und lässt sich mit denselben großskaligen Fertigungswerkzeugen wie konventionelle Elektronik herstellen. Wenn zuverlässige Lichtquellen direkt auf silizumnitrid‑photonischen Schaltkreisen erzeugt werden könnten, könnte ein einziger Chip Lichtstrahlen routen, teilen und verarbeiten – für Quanteninformation, die optische Analyse biologischer Proben oder die Projektion von Bildern für Augmented‑Reality‑Displays. Bisher arbeiteten jedoch die meisten direkt auf Silizium gewachsenen On‑Chip‑Laser im Infrarotbereich, und sichtbare rote Laser waren besonders schwer zu integrieren.

Winzige rote Laser in mikroskopischen Taschen wachsen

Das Team geht dieses Problem an, indem es schmale „Taschen“ in einen silizumnitrid‑photonischen Schaltkreis einschneidet und das Lasermaterial nur in diesen vertieften Bereichen wachsen lässt. An der Basis liegt eine Siliziumwafer, darauf eine dünne Germaniumschicht, die hilft, Kristallspannung zu verringern und Defekte zu reduzieren. Darüber bilden Schichten aus Glas und Silizumnitrid verlustarme Wellenleiter. Die Forschenden ätzen Gräben durch diese Schichten, bis das Germanium freigelegt ist, und wachsen dann selektiv hochwertiges Galliumnarsenid in den Taschen. Schließlich setzen sie molekulare Strahl‑Epitaxie ein – ein präzises Gasphasenwachstumsverfahren –, um Stapel von Halbleiterschichten aufzubringen, die den Kern des Lasers bilden.

Quantenpunkte für stabiles rotes Licht nutzen

Im Inneren jeder Vorrichtung befindet sich eine aktive Zone aus Indiumphosphid‑Quantenpunkten, eingebettet in sorgfältig gestaltete umgebende Schichten. Quantenpunkte sind nanometergroße Inseln, die Elektronen und Löcher so stark einsperren, dass sie sich wie künstliche Atome verhalten; das kann die Effizienz verbessern und die Bauteile toleranter gegenüber kristallinen Unvollkommenheiten machen. Mikroskopische Messungen zeigen dichte, gut ausgebildete Quantenpunktschichten innerhalb der gezüchteten Struktur, während optische Tests nach einem schnellen thermischen Annealing eine starke rote Emission um 745–752 Nanometer zeigen, also klar im tiefroten Teil des Spektrums. Obwohl die Temperaturkontrolle während des Wachstums durch das gemusterte Wafer kompliziert ist, erreicht das Team dennoch eine Punktdichte und optische Qualität, die mit den besten auf einfacheren Substraten berichteten Strukturen konkurriert.

Leistung der On‑Chip‑Rotlaser

Nachdem schmale Grate definiert und die Enden der Bauelemente zum Wirken als Spiegel gekappt wurden, testen die Forschenden die fertigen kantenemittierenden Laser bei kontinuierlichem elektrischen Antrieb und Raumtemperatur. Sie berichten von einer bemerkenswert niedrigen Schwellenstromdichte – also wie viel elektrischer Strom pro Fläche benötigt wird, um das Lasern zu starten – von 450 Ampere pro Quadratzentimeter und mehr als 10 Milliwatt Ausgangsleistung aus einem einzelnen Facetten, obwohl das Licht noch nicht in die Silizumnitrid‑Wellenleiter gekoppelt wurde. Diese Schwellen sind deutlich niedriger als bei vergleichbaren roten Quantenpunktlasern, die zuvor auf Silizium gezogen wurden, und die Gesamteffizienzen entsprechen früheren Geräten, die auf idealeren, ungeformten Vorlagen hergestellt wurden. Die Laser emittieren weiterhin Milliwatt‑Leistung bis etwa 50 °C, mit einem thermischen Verhalten, das dem anderer hochmoderner roter Quantenpunktlaser ähnelt.

Was das für künftige photonische Chips bedeutet

Einfach ausgedrückt zeigt die Studie, dass helle, effiziente rote Laser direkt in das Gefüge eines silizumnitrid‑photonischen Schaltkreises hineingewachsen werden können, ohne die Leistung zu opfern. Zwar demonstriert diese Arbeit noch nicht die vollständige optische Kopplung in die Wellenleiter, doch sie validiert den entscheidenden Schritt: das Einbetten von hochwertigem Verstärkermaterial für sichtbare Wellenlängen in foundry‑verarbeitete Chips. Mit künftigen Verfeinerungen – wie geätzten Spiegeln für die Massenproduktion und verbessertem thermischen Design – könnte dieser Ansatz dicht gepackte photonische integrierte Schaltkreise für sichtbares Licht ermöglichen und Anwendungen von Biosensoren und Quantenprozessoren bis zu kompakten Anzeige‑ und Sensorsystemen antreiben, die auf einem einzigen Chip Platz finden.

Zitation: Yiteng Wang, Christopher Heidelberger, Jason Plant, Dave Kharas, Pankul Dhingra, Robert B. Kaufman, Xizheng Fang, Brian D. Li, Ryan D. Hool, John Dallesasse, Paul W. Juodawlkis, Cheryl Sorace-Agaskar, and Minjoo Larry Lee, "Embedded growth of visible InP quantum dot lasers in silicon nitride photonic integrated circuits," Optica 12, 1697-1701 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.569454

Schlüsselwörter: Silizumnitrid‑Photonik, sichtbare Laser auf Silizium, Quantenpunktlaser, integrierte photonische Schaltkreise, rote Lichtquellen