Woher weiß Ihr Telefon, dass Sie es sind, wenn Sie die Gesichtserkennung verwenden, um es zu entsperren? Eine Reihe winziger Laser beleuchten Ihr Gesicht, und Ihr Telefon verwendet die Reflexion, um ein 3D-Modell zu erstellen – ähnlich einer topografischen Karte Ihres Gesichts. Die Software des Telefons verwendet dies dann, um zu entscheiden, ob es entsperrt werden soll.
Diese winzigen Laser, genannt VCSELs (ausgesprochen „Vixels“), machen dies möglich. Traditionell werden sie in Kurzstrecken-Datenübertragungen, Laserdruckern und sogar Computermäusen verwendet. Seit sie jedoch in den Mainstream-Gesichtserkennungs- und 3D-Bildgebungstechnologien auftauchten, gab es eine explosionsartige Nachfrage und einen Drang, sie effizienter und kompakter zu machen.
Leah Espenhahn, Doktorandin in der Forschungsgruppe des Elektro- und Computertechnik-Professors John Dallesasse, hat ein neues Verfahren zur direkten Integration von VCSELs in elektronische Chips demonstriert. Wie sie in einer kürzlich erschienenen Ausgabe von beschrieb Verbindungshalbleiter Zeitschriftist es möglich, VCSELs direkt auf Siliziummikroelektronik mit einer Methode namens Epitaxietransfer zu erstellen, wie das Erstellen winziger Inseln für die Laser im Silizium.
„Im Vergleich zu Standardgeräten, bei denen unabhängig konstruierte VCSELs an die Mikroelektronik angeschlossen sind“, sagte Espenhahn, „sind epitaktisch übertragene VCSEL kompakter, leistungsfähiger und weniger anfällig für Überhitzung.“
Sie wurde auch eingeladen, auf der CS International Conference 2023 in Brüssel über die Methode zu sprechen.
Senkrecht, nicht seitlich
VCSELs oder oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum gehören zu einer Klasse von Geräten, die als Halbleiterlaser bezeichnet werden. Sie erzeugen intensive, fokussierte Lichtstrahlen wie andere Laserarten, aber sie bestehen vollständig aus halbleitenden Materialien. Das bedeutet, dass Herstellungstechniken, die für elektronische Mikrochips entwickelt wurden, die ebenfalls aus halbleitenden Materialien hergestellt werden, an Laser angepasst werden können.
Viele Arten von Halbleiterlasern sind seitenemittierend, was bedeutet, dass der Lichtstrahl parallel zu den elektrischen Kontakten ist. Solche Vorrichtungen erfordern zusätzliche Herstellungsschritte, um sicherzustellen, dass es eine glatte Oberfläche gibt, damit das Licht das Material verlässt. Im Gegensatz dazu erzeugen VCSELs Licht, das senkrecht zu den elektrischen Kontakten ist und vertikal durch die oberste Schicht austritt, was den Herstellungsprozess vereinfacht und die Tür für weitaus kompaktere Geräte öffnet.
„Da VCSELs Licht aus der oberen Oberfläche emittieren“, sagte Kevin Pikul, ein weiterer Doktorand in Dallesasses Gruppe, „macht es das so viel einfacher, Arrays zu erstellen. Sie können Tausende von VCSELs in nur einer Probe haben.“
Inseln vollintegrierter Laser
Der Standardansatz zum Erstellen von VCSEL-Arrays ist das manuelle Löten vorgefertigter Laser auf elektronische Chips durch „Flip-Chip-Bonding“, ein zeitaufwändiger Prozess mit begrenzter Präzision. Um sie noch kleiner und effizienter zu machen, müssen sie schließlich direkt mit elektronischen Geräten auf Mikrochips integriert werden.
Espenhahn erreichte dies, indem es unbearbeitete VCSEL-Bauelementstrukturen nahm und sie auf einer temporären Plattform befestigte. Nach dem Ätzen bestimmter „Inseln“ aus Material für die einzelnen Laser wurde eine Schicht aus Verbindungsmaterial darauf gelegt. Die temporäre Plattform wurde dann umgedreht und auf einer Hauptsiliziumplattform platziert, wodurch die Inseln haften blieben. Nach dem Entfernen der temporären Plattform blieb eine Reihe epitaktisch übertragener Inseln übrig, die bereit waren, zu VCSEL-Bauelementen verarbeitet zu werden.
Da die VCSELs nach dem Übertragungsprozess hergestellt werden, können sie viel präziser auf der elektronischen Schaltung platziert werden als Flip-Chip-gebondete Bauelemente. Darüber hinaus haben die resultierenden Vorrichtungen bessere thermische Eigenschaften, die zu einer besseren Steuerbarkeit führen.
„Da wir nur eine dünne Schicht epitaktisches Material auf Silizium haben“, erklärt Espenhahn, „leitet das Silizium die Wärme schneller ab, wenn wir mehr Leistung liefern. Dadurch können wir die Wellenlänge besser steuern [color] des Lichts und um Geräte mit größeren Leistungsbereichen zu schaffen.“
Epitaxieübertragung über VCSELs hinaus
Die Gesichtserkennung ist nur ein Beispiel für eine Technologie namens LiDAR, bei der reflektiertes Laserlicht verwendet wird, um Bilder oder Modelle auf Computern zu erstellen. Eine weitere Verwendung für VCSEL-basierte LiDAR, die immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist Vision und Sensorik in autonomen Fahrzeugen.
Aber Dallesasse stellt sich vor, dass die epitaxiale Übertragung über nur VCSEL hinausgehen kann.
„Wenn wir anfangen, über komplexe elektronisch-photonische Systeme für Dinge wie selbstfahrende Autos zu sprechen“, bemerkte er, „können wir auch anfangen, diese Techniken zu verwenden, um Nicht-Silizium-Funktionen auf Siliziumplattformen zu bringen, um die Dinge kompakter zu machen. Silizium ist es auch Geschwindigkeit begrenzt. Wenn wir elektronische Geräte oder Leistungsgeräte mit höherer Geschwindigkeit integrieren wollten, könnten wir dies auch mit einem epitaxialen Übertragungsverfahren tun.