Licht maken en detecteren met silicium is geen eenvoudige opgave. Onderzoekers van de Universiteit Twente kregen het toch voor elkaar, al is het resultaat nog voor verbetering vatbaar.
Als je absoluut wilt voorkomen dat er zich grote stroom- of spanningspieken door een systeem kunnen verspreiden, moet je speciale maatregelen treffen. Dit kan bijvoorbeeld nodig zijn in een medisch systeem, om uit te sluiten dat behandelaar of patiënt een schok kan krijgen. Of in een automotivecircuit waarin een hoogspanningsdeel communiceert met een laagspanningsdeel. In deze en vele andere gevallen moeten de verschillende delen van het systeem galvanisch van elkaar worden gescheiden, zoals dat heet.
Eén optie om dat voor elkaar te krijgen, is de optokoppelaar. Deze onderbreekt de elektrische verbinding en geeft het signaal over een korte afstand als een soort tamtam in lichtpulsen door. Zelfs extreem hoge spanningen worden hiermee tegengehouden.
De optokoppelaar bestaat alleen als discrete component. Bij de Universiteit Twente vroegen researchers Anne Johan Annema en Ray Hueting zich af of ze er ook eentje konden integreren op een chip. Maar aangezien zo’n exercitie alleen praktijkwaarde heeft als er geen exotische materialen en processen aan te pas komen, beperkten ze zich tot silicium en standaard cmos-procestechnologie. NXP was direct geïnteresseerd en betaalde mee aan het project, waar twee promovendi op werden gezet.
De eerste fase van het onderzoek is inmiddels met succes afgerond: Satadal Dutta promoveerde 8 november op de lichtverbinding-op-chip die hij in de praktijk wist te brengen.
Beperkt
Een optokoppelaar heeft in de eerste plaats een lichtbron nodig, en dat is gelijk een taai probleem. Silicium is namelijk als indirecte halfgeleider een berucht slechte producent van licht. Om het licht te kunnen detecteren, moet het bovendien een relatief korte golflengte hebben. Het in de fotonica veelgebruikte nabij-infrarood is daarom geen optie.
Dutta wist met behulp van een tegenwoordig nog maar zelden toegepast principe toch voldoende detecteerbaar licht van geschikte golflengte uit het silicium te persen: foto-emissie als gevolg van het lawine-effect. Door een forse spanning te zetten over diodes in sperrichting steken er af en toe elektronen over. Als die in het aanwezige elektrisch veld worden versneld en op atomen botsen, maken ze additionele elektronen los, die op hun beurt ook weer elektronen kunnen lostikken. Zo ontstaat een lawine van elektronen én van gaten, want elk bevrijd elektron laat een gat achter. Als die elektronen en gaten recombineren, produceren ze licht.
De lichtemissie bleek zich echter sterk te lokaliseren. ‘Het zag eruit als een sterrenhemel, grotendeels donker met hier en daar oplichtende puntjes’, vertelt Jurriaan Schmitz, groepsleider van Hueting en promotor van Dutta. Met een kamstructuur wisten de onderzoekers het elektrisch veld te homogeniseren, waardoor de ‘silicium led’ een uniforme gloed uitstraalt.
Om de optokoppelaar compleet te maken, moeten de geproduceerde fotonen naar een fotodetector worden geleid, waarna het signaal zich weer elektrisch voortzet. Vooral de lichtgeleiders hadden nog de nodige voeten in aarde, vertelt Schmitz. ‘Het is lastig om met cmos-technieken alleen het licht voldoende te concentreren zonder het erg te verzwakken voor het de detector bereikt. Daarvoor moet je een groot contrast in brekingsindex creëren zonder te absorberen, maar de materiaalkeuze is daarvoor te beperkt.’
Aansturing
Door de brute force-manier van lichtproductie en de gebrekkige lichtgeleiding, is de resulterende optokoppelaar geen toonbeeld van efficiëntie. ‘De beste silicium lichtemitters halen maar één procent. Wij zitten daar met de lawine-led nog ver onder’, zegt Schmitz. Voor de miniaturisatie en integratie in silicium moet dus een prijs worden betaald.
Dat leed valt te verzachten. Onder begeleiding van Annema en Hueting ontwerpt een tweede promovendus een speciale diodeaansturing die ervoor zorgt dat het minimum aan benodigde fotonen wordt gegenereerd. Daarnaast wordt de fotodetectie onder handen genomen: door gebruik te maken van een speciale fotodetector wordt ook het aantal fotonen dat aan de ontvangstkant moet aankomen, geminimaliseerd. Deze maatregelen drukken het energieverbruik.