«Развитие электроники на основе кремниевых транзисторов позволило создать более мощные и гибкие системы на кристалле», – Димитарс Евтис из Стратклайдского университета в Великобритании. «Оптические системы на кристалле, однако, требуют интеграции различных материалов на одном кристалле и, следовательно, не получили такого же масштабного развития, как кремниевая электроника."
В журнале Optica Publishing Group Optical Materials Express, Jevtics и его коллеги описывают свой новый процесс трансфертной печати и демонстрируют его способность размещать устройства, изготовленные из нескольких материалов, на одном чипе, и все они интегрированы в корпус, аналогичный по размеру самим устройствам.
В то время как другие методы обычно ограничиваются одним материалом, этот новый подход предоставляет набор материалов, из которых будущие проектировщики систем могут черпать.
«Встроенная оптическая связь, например, потребует сборки оптических источников, каналов и детекторов на узлах, которые могут быть интегрированы с кремниевыми микросхемами», – сказал Евтис. «Наш процесс трансфертной печати можно масштабировать, чтобы объединить тысячи устройств, изготовленных из разных материалов, на одной пластине.
Это позволит встраивать оптические устройства микронного масштаба в будущие компьютерные микросхемы для связи с высокой плотностью передачи данных или в платформы биологического зондирования «лаборатория на кристалле»."
Лучший способ выбрать и разместить
Одна из самых больших проблем при сборке нескольких устройств на микросхеме – попытаться разместить их очень близко друг к другу, не мешая устройствам, которые уже находятся на микросхеме. Чтобы достичь этого, исследователи разработали метод, основанный на обратимой адгезии, при котором устройство поднимается и освобождается от его ростовой подложки и помещается на новую поверхность.
В новом методе используется мягкий полимерный штамп, установленный на роботизированном столике управления движением, для снятия оптического устройства с подложки, на которой оно было изготовлено. Субстрат, на который он будет помещен, затем помещается под подвешенное устройство и точно выравнивается с помощью микроскопа. После правильного совмещения две поверхности входят в контакт, что освобождает устройство от полимерного штампа и наносит его на целевую поверхность.
Достижения в области точной робототехники для микросборки, методов нанопроизводства и обработки изображений с микроскопии помогли реализовать этот подход.
«Тщательно разработав геометрию штампа в соответствии с устройством и контролируя липкость полимерного материала, мы можем спроектировать, будет ли устройство снято или выпущено», – сказал Евтис. «При оптимизации этот процесс не вызывает никаких повреждений и может быть расширен с помощью автоматизации, чтобы быть совместимым с производством пластин."
Создание плотно упакованного чипа
Чтобы продемонстрировать новую технику, исследователи интегрировали оптические резонаторы из арсенида алюминия, алмаза и нитрида галлия на одном кристалле. Эти оптические резонаторы продемонстрировали хорошее оптическое пропускание, демонстрируя, что интеграция прошла хорошо.
Они также использовали подход печати для создания полупроводниковых лазеров с нанопроволокой, помещая нанопроволоки на поверхности основы в пространственно плотных структурах. Измерения расстояния между нанопроводами с помощью сканирующей электронной микроскопии продемонстрировали пространственную точность в диапазоне 100 нанометров.
Поместив полупроводниковые нанопроволоки на диоксид кремния, они смогли создать многоволновую нанолазерную систему.
«Как производственная технология, этот подход к печати не ограничивается оптическими устройствами», – сказал Евтис. «Мы надеемся, что специалисты по электронике также увидят возможности того, как это может быть применено в будущих системах."
В качестве следующего шага исследователи работают над воспроизведением этих результатов на большем количестве устройств, чтобы показать, что они работают в более крупных масштабах.
Они также хотят объединить свой подход к трансферной печати с разработанной ранее техникой автоматического выравнивания, чтобы обеспечить быстрое измерение, выбор и передачу сотен изолированных устройств для приложений в формировании изображений и гибридных оптических схемах.
Эта работа финансировалась Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EP / R03480X / 1, EP / P013597 / 1, EP / P013570 / 1); Европейская комиссия (грант №. 828841 ChipAI-H2020-FETOPEN-2018-2020, Грант №. 829116 SuperPixels -H2020-FETOPEN-2018-2020) и Королевской инженерной академии в рамках схемы научных кафедр и старших научных сотрудников.
Докторантура Джека Смита софинансируется Fraunhofer UK.