לייזר על CMOS בטמפרטורת החדר

צוות מהאוניברסיטה של מדינת אריזונה ומאוניברסיטת צינגהואה הדגים תקשורת אופטית לא III-V

המעבדה הננו-פוטונית באוניברסיטה של מדינת אריזונה (טמפה), שעובדת עם אוניברסיטת צינגהואה (בייג'ינג), הדגימה לייזר תקשורת CMOS על שבב שלדברי החוקרים הוא הראשון שפועל בטמפרטורת החדר. הצוות בנה את מכשיר הוכחת הרעיון בלי תרכובות III-V על ידי הנחת חד שכבה של מוליבדנום דיטלוריד על חלל של ננו-קרן של סיליקון. אחרים השיגו לזירה חד שכבתית באמצעות טכניקה דומה, אבל רק בטמפרטורות קריוגניות.

מוליבדנום דיטלוריד (MoTe2) — תרכובת של מוליבדנום וטלוריד שנקראת TMDC — הוא מוליך למחצה שיכול לפלוט אור עם פער פסים באזור שמאפשר לזירת אינפרא אדום באורכי גל שמשמשים לתקשורת בתקני תעשייה. כשהוא מתגבש לחד שכבות בדקות אטומית, הוא גמיש, עמיד בפני סדקים, כמעט שקוף ותואם CMOS.

"חלל הננו קרן שלנו מיוצר מפרוסת CMOS סיליקון על מבודד סטנדרטית", סיפר ל-EE Times קון-ז'נג נינג, הפרופסור להנדסת חשמל באוניברסיטה של מדינת אריזונה שעמד בראש הצוות. "לא השתמשנו בשום עיבוד בטמפרטורה גבוהה, שהוא בדרך כלל בעיה עבור CMOS. ההעברה של שכבת ה-MoTe2 היא תהליך מכני פשוט.
"במילים אחרות, אנחנו משתמשים אך ורק בשלבי עיבוד סטנדרטיים שמקובלים בתעשיית ה-CMOS".
מניחים את חד שכבת ה-MoTe2 על פני קרן סיליקון צרה עם חללים שצרובים בה. התצורה מצליחה להגביר אור ביעילות מספיקה כדי לאפשר לזירה בפסי התקשורת האינפרא אדומים.

נינג והחוקרים מצינגהואה יונגז'ו לי, ג'יאנשין ז'אנג ודנדן הואנג מתארים את העבודה בפירוט במאמר
Room-temperature Continuous-wave Lasing from Monolayer Molybdenum Ditelluride Integrated with a Silicon Nanobeam Cavity שהתפרסם ב-Nature Nanotechnology. הם מציינים שמדיום ההגברה מגביר פוטונים, ואילו החלל מגביל אותם. השילוב יוצר אקסיטונים במוליבדנום דיטלוריד שחזקים פי 100 מאשר במוליכים למחצה רגילים, ומאפשרים לזירה בטמפרטורת החדר באורכי הגל האינפרא אדומים שבשימוש נפוץ בתקשורת. החוקרים מוסיפים שאפשר לשנות את הטכניקות כדי לחוש את האור שנוצר, ובכך פוטנציאלית לאפשר לשים גם פולטים פוטוניים וגם מקלטים פוטוניים באותו שבב CMOS.

כמו בפרקטיקה הרגילה, שבב הוכחת הרעיון השתמש בלייזר רגיל עם הספק מאוד נמוך כדי לשאוב את לייזר ה- CMOSמוליבדנום דיטלוריד. "כיום הוא נשאב על לייזר הליום- ניאון עם גל רציף שפולט באורך גל של 633 ננומטר", אמר נינג ל-EE Times, והוסיף שהסף הנדרש לשאיבה היה "הרבה פחות מהסף שנדרש ממצביע לייזר אדום".
המטרה הבאה של החוקרים היא להתחיל ולאפנן לזירה באופן אלקטרוני בשביל פוטוניקה על שבב. "תכנון סכמת הזרקת זרם יעילה הוא המפתח להדגמה מוצלחת של לייזר תחת הזרקה חשמלית", אמר נינג ל-EE Times. "אנחנו עובדים עכשיו על ייצור התכנון והבדיקה".