VR-projeket: Vertikaltransistorlaser

Summary in English

This project aims for the development of a novel semiconductor transmitter technology based on the direct integration of photonics and electronics. The device under consideration is referred to as a T-VCSEL, the integration of a high-frequency heterostructure bipolar transistor (HBT) with a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL). Such devices have a number of interesting features with general implications for high-speed computing and data communication, including the potential for significantly increased VCSEL modulation bandwidth due to the reduced carrier lifetime in the base region. The project will involve all elements of this development from design and simulation, through materials growth and device fabrication to extensive device characterizations.

Populärvetenskaplig beskrivning

Utvecklingen av transistorn och halvledarlasern har varit av helt avgörande betydelse för det framväxande informationssamhället där de är nyckelkomponenter för dataprocessning och fiberoptisk kommunikation. Den snabbt ökande efterfrågan på datorkraft samt
internet- och andra nätverkstjänster har därvid ställt allt större krav på billiga men samtidigt alltmer högpresterande komponenter.

Hittills har mycket av denna prestandaförbättring erhållits med hjälp av krympande komponentdimensioner, allmänt förbättrade materialegenskaper och processkontroll på nanometernivå, men i takt med att fundamentala gränser för komponentprestandan börjar uppnås, uppstår behov av radikalt nya komponenttyper.

Ett exempel på en sådan komponent är den så kallade transistor-lasern där man kombinerar de mycket goda högfrekvensegenskaperna i en transistor med laserns förmåga att sända ut ljus. Detta är därmed ett exempel på elektro-optisk integration på komponentnivå där man kan tänka sig helt nya arkitekturer i dataprocessningen som bygger på att en elektrisk insignal kan ge upphov till en optisk utsignal såväl som en elektrisk sådan. Detta kan då utnyttjas för optisk kommunikation på chip-nivå eller mellan chip, och därmed bli ett sätt att övervinna de begränsningar som för närvarande sätts av metalliska ledare vad gäller reduktion av chipstorlek och beräkningshastigheten i mikroprocessorer. En annan intressant egenskap hos transistor-lasern är att den kan förväntas förmås drivas upp i mycket högre datataktshastigeter än sin konventionella motsvarighet. Detta beror på att laserns aktiva område också utgör själva transistorns kärna, dess ”bas”, där man på ett direkt sätt kan kontrollera laddningsbärarnas (elektronerna i en npn-typ transistor) rörelse.

För att driva lasern i höga modulationshastigheter krävs att den svarar snabbt på den elektriska signalen. Vid övergång från en digital ”etta” till en digital ”nolla” krävs således att ljuset omedelbart stängs av. Eftersom ljusemissionen beror av laddningsbärarrekombination i det aktiva området är det alltså en fördel om man, som i transistorlasern, snabbt kan transportera bort laddningsbärarna. I detta projekt kommer vi att implementera detta koncept på den så kallade vertikal-kavitets-lasern (VCSEL ? Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser). En avgörande fördel med denna komponent, till skillnad mot de traditionella kantemitterade lasrarna, är att den kan tillverkas enligt samma metoder som den integrerade kretsteknologin i övrigt, dvs i s.k. planarteknologi där många enskilda komponenter byggs upp parallellt lager för lager på samma halvledarskiva, vilket öppnar för masstillverkning och låg kostnad. Andra fördelar med VCSEL-komponenter är att de är mycket effektsnåla och har bra strålkvalitet, som t.ex. lämpar sig väl för inkoppling i optiska fibrer. Detta har lett till att VCSEL-komponenter med våglängden 850 nm idag är de helt dominerande ljuskällorna för dataöverföring över korta avstånd, t.ex. inom lokala nätverk, men den är också högintressant för det mer konventionella våglängdsförstret för telekommunikation (1300-1550 nm). Framtida kommunikationssystem kommer dock att kräva datataktshastigheter som väsentligt överstiger dagens VCSEL-generations förmåga (såväl som andra direkt-modulerade lasrar).

Vi avser härvid att undersöka de fundamentala begränsningarna och möjligheterna för s.k. transistor-VCSELs. Detta kommer att omfatta såväl numeriska beräkningar av transistor-VCSELns förväntade prestanda som tillverkning, utvärdering och optimering av sådana komponenter för olika våglängder (primärt 980 och 1300 nm). Sammanfattningsvis kan sägas att projektet svarar mot vetenskapligt mycket intressanta frågeställningar rörande avancerad komponentfysik samt material och processteknik på nanometernivå, samtidigt som de tekniska/kommersiella avsättningarna för lyckade resultat är avsevärda.