Bijna ketterij, het idee van Martin Hill dat lasers van iets meer dan tweehonderd nanometer groot mogelijk zouden zijn. En dan nog wel met een metalen omhulsel, terwijl iedereen weet dat die lijden onder gigantische verliezen. Hill en zijn collega‘s aan de TUE zetten stug door en maakten ‘s werelds kleinste laser.
Ze waren de afgelopen weken weer stevig in het nieuws, de optische netwerken op en tussen chips. De Universiteit van Gent leverde in Europees verband een optische interconnectlaag af (zie Bits&Chips 4, 2008). IBM fabriceerde een optische schakelaar die sneller data uitwisselt tussen rekenkernen op een processor (Bits&Chips 6, 2008). De meest recente in het rijtje staat op naam van Sun Microsystems, die eind vorige maand 28 miljoen euro subsidie binnensleepte om on-chip siliciumfotonica te ontwikkelen.
Eigenlijk houden alle grote chipjongens zich wel op een of andere manier bezig met een kruising tussen optica en halfgeleidertechnologie. Veel onderzoek richt zich op supersnelle schakelaars en communicatielijnen, omdat er voor de ’snelwegen‘ op chips steeds minder ruimte is of omdat snellere chips nu eenmaal sneller met de buitenwereld moeten communiceren om het maximale uit hun capaciteiten te halen. Verder in de toekomst lonken de optische computers.
Dit soort optische technologie steunt meestal op optische geleiders en bijhorende lasersystemen, die vergeleken met hun koperen alternatieven een hogere bandbreedte en snelheid halen. Maar lasers hebben ook een nadeel: ze zijn nogal uit de kluiten gewassen vergeleken met de andere elementen in de chipwereld. De vondst van Martin Hill, tot voor kort werkzaam aan de TU Eindhoven, brengt laser en transistor echter een stuk dichter bij elkaar. De onderzoeker maakte ‘s werelds kleinste elektrisch gepompte infraroodlaser. De afmeting van het lichtbronnetje: 210 nanometer, een orde van grootte kleiner dan zijn directe concurrentie. En volgens Hill kan hij op termijn makkelijk nog een keer zo‘n verkleiningsslag maken.
Het minuscule apparaatje is eigenlijk niet meer dan een pilaartje van gegroeide laagjes indiumfosfide en indiumgalliumarsenide met daaromheen een laagje siliciumnitride en een coating van goud. In totaal zijn er meer dan tien laagjes halfgeleider, maar voor het gemak mag je doen alsof het er maar drie zijn. Achtereenvolgens zijn dat p-gedoteerd indiumfosfide, indiumgalliumarsenide en n-gedoteerd indiumfosfide. Samen vormen ze de p-n-overgang die de drijvende kracht vormt van iedere halfgeleiderlaser. Elektronen en gaten, opgewekt door een elektrische spanning, komen elkaar tegen in het indiumgalliumarsenide, waar ze onder uitzending van licht elkaar opheffen.
Het binnenste van deze ’vinger‘ dient echter niet alleen als lichtbron, maar ook als trilholte, waar de opgewekte fotonen net zo lang heen en weer kaatsen tot de voor de laser noodzakelijke populatie-inversie een feit is. De gouden coating zorgt ervoor dat het licht ingesloten blijft. Een metalen spiegel om een halfgeleiderlasertje, het klinkt als een voor de hand liggende oplossing om licht gevangen te houden. Waarom had niemand het dan al eerder geprobeerd?
Radiostilte
Het balletje begon te rollen in 2004, toen Hill afreisde naar Zuid-Korea om een bezoek te brengen aan het Korean Advanced Institute for Science and Technology. ’Eigenlijk was het de bedoeling dat ik zou kijken of ik kleine lasers zou kunnen maken met fotonische kristallen. Maar ik had het vermoeden dat deze aanpak weinig zou opleveren. In plaats daarvan ben ik me gaan verdiepen in de plasmonische optica‘, vertelt Hill. Plasmonen zijn quasideeltjes die ontstaan uit de kwantisatie van oscillaties in de elektrondichtheid van plasma‘s en metalen. Dat is abstract; misschien helpt het om te weten dat fotonen op vergelijkbare manier ontstaan uit de kwantisatie van elektromagnetische straling.
Plasmonen spelen een belangrijke rol bij de optische eigenschappen van metalen. De virtuele deeltjes kunnen namelijk interactie aangaan met fotonen. In de meeste metalen ligt de frequentie van de elektronenoscillaties in wat bij elektromagnetische straling het UV-gebied heet. Daarom reflecteren ze zichtbaar licht, hetgeen hun het typische glanzende oppervlak geeft. Ook geven plasmonen bijvoorbeeld goud zijn typische kleur.
Het is ook mogelijk om de interactie van plasmonen met licht nuttig te gebruiken. Op basis van de resonantie-effecten die optreden bij de wisselwerking tussen elektronoscillaties in metalen en licht construeerden onderzoekers al optische detectoren, golfgeleiders en splitters. Maar geen lasers. Sterker nog, de meeste onderzoekers geloofden dat de verliezen te groot zouden zijn om een werkende laser mee te maken. Het dogma was dat de cavities van diëlektrica moesten zijn, en daarvan is de grootte beperkt tot ongeveer die van de golflengte van het uitgezonden laserlicht.
Hill dacht dat wel met metaal kon. Hij begon – in het geheim – simulaties te doen met software die hij uit Korea had meegenomen. Die moest hij wel eerst aanpassen om met metalen overweg te kunnen want hij was oorspronkelijk bedoeld om met diëlektrica te werken. ’Ik dacht: laat ik maar met het simpelste idee beginnen en gaan rekenen aan een gat in een metaal. Daaruit bleek al gauw dat het zou moeten werken.‘ Hill verbrak de radiostilte en stapte met zijn simulatieresultaten naar Meint Smit, hoogleraar Opto-electonic Devices aan de faculteit Elektrotechniek. Die was onmiddellijk enthousiast en gaf groen licht voor een experimenteel vervolg.
Tussenruimte
Om iets te kunnen meten, moest Hill eerst zijn pilaartjes maken. Daarvoor kon hij rekenen op de expertise van het Inter-University Research Institute on Communication Technology Basic Research and Applications (Cobra), waar Meint Smits groep deel van uitmaakt. Hill kreeg van zijn collega‘s een 2 inch wafertje aangeleverd waarop het gros van de laagjes keurig een voor een waren opgedampt. Daar moest Hill de pilaartjes uitetsen en er contactpunten op aanbrengen.
In de eerste stap maakt Hill lithografisch kleine eilandjes van titanium bovenop de laagjes halfgeleider. Het metaal vervult hier de rol van hard mask, dat wil zeggen dat het later in het proces weer wordt verwijderd. Tijdens een van de kritieke processtappen stelt Hill de wafer bloot aan een plasma, die de halfgeleider wegvreet, behalve onder de plakjes titanium. Daarom blijven er pilaartjes staan, al zijn die wel een beetje gehavend. ’Reactive ion etching (RIE) beschadigt het kristalrooster van de halfgeleider laagjes, de buitenkant van de pilaartjes dus. Dat repareer ik vervolgens met een aantal oxidatie- en etsstappen‘, vertelt Hill. Vervolgens kan het hard mask eraf.
Daarna het pilaartje een isolerend jasje van siliciumnitride met plasma enhanced chemical vapour deposition. Aan de bovenkant hoort dat niet te zitten, want daar moet nog een contactpunt van metaal terecht komen. Hill doet dat door een nieuwe lithografische stap, waarbij hij de pilaartjes onderdompelt in een fotolak en vervolgens ’terugetst‘ zodat de kopjes er net bovenuit steken. Hij kan nu veilig het siliciumnitride aan de bovenkant eraf schrapen, opnieuw met RIE, en vervolgens het topcontact van goud aanbrengen. Het andere aansluitpunt zit natuurlijk onderaan het paaltje, waar Hill niet makkelijk bij kan. Hij etste daarom naast het pilaartje een plekje uit en vulde dat met metaal. Via de wafer staat dit in contact met de laser.
De pilaartjes zelf zijn in dit stadium bijna af. Alleen de coating van goud ontbreekt nog. Hill bracht die op met elektronenbundelverdamping. Elk lasertje krijgt ten slotte ook nog een eigen polymeren huisje, waarin ook het nodige ’leidingwerk‘ verwerkt zit om makkelijk bij de contactpunten boven en onder makkelijk te bereiken zijn. ’Daarom zitten de pilaartjes zo‘n honderd micron uit elkaar. Ze zijn op zichzelf niet zo groot, maar om er makkelijk aan te kunnen meten moet je er een bijna macroscopische behuizing omheen zetten‘, aldus Hill. Op de wafer, of een stukje daarvan, maakte hij meestal dertig rijen van acht lasers, met een tussenruimte van zo‘n 100 micron in iedere richting.
Sabbatical
Als alles van een leien dakje gaat, duurt het hele fabricageproces vier tot zes weken. ’Maar‘, benadrukt Hill, ’je moet wel eerst ervaring opdoen.‘ De eerste pilaartjes leverden bijvoorbeeld geen minilasertjes op, maar Hill vond de resultaten toch hoopgevend. ’Ik heb een hoop geleerd van die eerste run. Ik kon ook zien dat ik het wel aan de praat zou krijgen. De piek bij 1408 nanometer moest gewoon een beetje groter‘, lacht de Australiër. Het moeilijkste was volgens hem een methode te vinden waarmee de schade door RIE te herstellen viel.
Bij de tweede run was het wel kassa. We spreken dan eind 2006. Daarmee was de goegemeente echter nog niet om. Omdat het bijna ketterij was wat Hill voorstelde, zette collega-onderzoekers er met extra ijver hun tanden in. De eerste versie van de publicatie werd neergeschoten, waardoor Hill nog een keer het lab in moest. ’Maar toen waren de resultaten zonneklaar‘, glundert hij. Het paper verscheen in oktober vorig jaar in Nature Photonics en was vervolgens even hét onderwerp van gesprek in diverse optische wetenschappelijke tijdschriften. Nature Photonics zelf doopte het paaltje ’Goldfinger‘ in een begeleidend opinieverhaal.
Hill is nog lang niet klaar met zijn pilaartjes. Hij vermoedt dat zijn lasers ook bij kamertemperatuur kunnen werken. ’Onze publicatie beschrijft het werk bij temperaturen van 10 tot 77 Kelvin. Maar onlangs hebben we experimenten veel dichter bij kamertemperatuur gedaan. Daarin gebruikten we een coating van zilver in plaats van goud. De verliezen van zilver zijn aanzienlijk lager en de fabricage is ook nog eens makkelijker‘, zegt hij om er als echte wetenschapper onmiddellijk aan toe te voegen dat hij er eigenlijk niet over kan praten. ’Ik moet eerst door het proces van peer review voordat ik zulke claims kan doen.‘
De Australiër maakt het werk niet af in Eindhoven, maar in de Verenigde Staten. Officieel is het een sabbatical, maar ’je weet nooit met dat soort dingen.‘ Zijn volgende doel? ’Nog kleinere lasers, zo groot als een transistor.‘