Czy kosztowne materiały wykorzystywane do produkcji nowoczesnych laserów półprzewodnikowych mogą służyć wielokrotnie, zamiast po jednym użyciu trafiać do odpadów? Naukowcy z Politechniki Warszawskiej i Politechniki Wrocławskiej chcą udowodnić, że jest to możliwe.
Krzem jest podstawą współczesnej elektroniki, a coraz większą rolę odgrywa również w fotonice, czyli technologii wykorzystującej światło do przesyłania informacji. Połączenie elektroniki i fotoniki na jednej platformie krzemowej otwiera drogę do tworzenia szybszych i bardziej energooszczędnych systemów przesyłania i przetwarzania danych. Jest to szczególnie ważne w obliczu rozwoju sztucznej inteligencji i rosnącego zapotrzebowania na wydajne centra danych.
Problem polega na tym, że krzem bardzo słabo emituje światło, przez co nie nadaje się do budowy wydajnych laserów. Do ich produkcji wykorzystuje się inne półprzewodniki, takie jak arsenek galu (GaAs) czy fosforek indu (InP). Choć technologie wytwarzania takich laserów są dobrze rozwinięte, ich masowa integracja z układami krzemowymi pozostaje dużym wyzwaniem.
W projekcie REMOTION naukowcy z Polski i Niemiec zamierzają opracować technologię umożliwiającą masową produkcję miniaturowych laserów i ich integrację z krzemowymi układami fotonicznymi. Kluczową innowacją będzie możliwość wielokrotnego wykorzystania kosztownych podłoży półprzewodnikowych, które w tradycyjnych procesach produkcyjnych są często bezpowrotnie usuwane. Pozwoli to znacząco ograniczyć koszty produkcji, zużycie surowców i ilość odpadów.
Podstawą rozwiązania jest technologia epitaksji zdalnej, w której struktury półprzewodnikowe wytwarzane są na podłożach pokrytych niezwykle cienką warstwą węgla, np. grafenu. Naukowcy zamierzają opracować sposób wytwarzania wysokiej jakości laserów, ich oddzielania od podłoża bez jego niszczenia, a następnie precyzyjnego przenoszenia na krzemowe układy fotoniczne. Cały proces ma być przystosowany do produkcji na skalę przemysłową.
Epitaksjalny wzrost struktur półprzewodnikowych to proces, w którym o długości fali emitowanego światła decyduje precyzyjnie kontrolowana grubość i skład nanowarstw. W projekcie REMOTION realizujemy zadanie bez precedensu w skali światowej – tłumaczy dr inż. Mikołaj Badura z Katedry Mikroelektroniki i Nanotechnologii na Wydziale Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów PWr. – Musimy doprowadzić do odtworzenia uporządkowanej sieci krystalicznej półprzewodnika w warunkach, gdy potencjał podłoża transmitowany jest przez ultracienką warstwę węgla amorficznego lub grafenu. To jeden z najbardziej krytycznych etapów projektu – śladowe niedoskonałości strukturalne lub naprężenia mogą całkowicie uniemożliwić pracę lasera.
Z kolei zespół dr. hab. inż. Marcina Syperka z Katedry Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki PWr opracuje proces oddzielania cienkich struktur półprzewodnikowych od podłoża i ich osadzania w wybranych miejscach układu fotonicznego. Posłuży do tego druk mikrotransferowy.
Laser musi trafić dokładnie w wybrane miejsce, żeby światło mogło sprawnie przejść do pozostałej części układu. Będziemy korzystać z elastycznych stempli, które podnoszą bardzo cienkie elementy półprzewodnikowe i przenoszą je precyzyjnie na nowe podłoże – tłumaczy naukowiec. – Opracowanie skalowalnego i powtarzalnego procesu, który nie uszkadza tych struktur, jest jednym z warunków przyszłego wykorzystania tej metody w produkcji.
Badacze zakładają, że dokładność pozycjonowania elementów osiągnie poziom jednego mikrometra, czyli jednej tysięcznej milimetra. Sprawdzą również, jak skutecznie światło z przeniesionego lasera trafia do falowodu, czyli ścieżki prowadzącej je w fotonicznym układzie krzemowym. Wyniki tych pomiarów będą wykorzystywane do udoskonalania procesu wzrostu i przenoszenia struktur.
Projekt REMOTION otrzymał finansowanie w konkursie EIC Pathfinder Open 2026, przeznaczonym dla projektów o wysokim ryzyku naukowym, których powodzenie może prowadzić do powstania nowych rozwiązań i rynków. Koordynatorem prac jest Politechnika Warszawska, a partnerami: Politechnika Wrocławska, Uniwersytet w Paderborn oraz firma Mellanox Technologies. Budżet 3-letniego przedsięwzięcia to niemal 4 mln euro.
MK, źródło: PWr