Islas láser: un investigador muestra cómo integrar completamente VCSEL en silicio

¿Cómo sabe tu teléfono que eres tú cuando usas el reconocimiento facial para desbloquearlo? Una serie de diminutos láseres iluminan tu rostro y tu teléfono usa el reflejo para construir un modelo 3D, similar a un mapa topográfico de tu rostro. El software del teléfono luego usa esto para decidir si se desbloquea.

Esos pequeños láseres, llamados VCSEL (pronunciados «vixels»), son los que lo hacen posible. Tradicionalmente, se utilizan en la transferencia de datos de corto alcance, impresoras láser e incluso ratones de computadora. Sin embargo, desde que comenzaron a aparecer en las principales tecnologías de reconocimiento facial e imágenes en 3D, ha habido una explosión en la demanda y un impulso para hacerlos más eficientes y compactos.

Leah Espenhahn, estudiante de posgrado en el grupo de investigación del profesor de ingeniería eléctrica e informática John Dallesasse, ha demostrado un nuevo proceso para integrar directamente VCSEL en chips electrónicos. Como describió en una edición reciente de Semiconductores compuestos revistaes posible crear VCSEL directamente en microelectrónica de silicio usando un método llamado transferencia epitaxial, como crear pequeñas islas para los láseres en el silicio.

«En comparación con los dispositivos estándar en los que los VCSEL construidos de forma independiente se conectan a la microelectrónica», dijo Espenhahn, «los VCSEL transferidos epitaxialmente son más compactos, funcionan mejor y son menos propensos al sobrecalentamiento».

También ha sido invitada a hablar sobre el método en la Conferencia Internacional CS 2023 en Bruselas.

Vertical, no de lado

Los VCSEL, o láseres emisores de superficie de cavidad vertical, pertenecen a una clase de dispositivos llamados láseres semiconductores. Crean rayos de luz intensos y enfocados como otros tipos de láseres, pero están hechos completamente de materiales semiconductores. Esto significa que las técnicas de fabricación desarrolladas para los microchips electrónicos, que también están hechos con materiales semiconductores, pueden adaptarse a los láseres.

Muchos tipos de láseres semiconductores son de emisión lateral, lo que significa que el haz de luz es paralelo a los contactos eléctricos. Dichos dispositivos requieren pasos de fabricación adicionales para garantizar que haya una superficie lisa para que la luz salga del material. Por el contrario, los VCSEL crean una luz que es perpendicular a los contactos eléctricos y sale verticalmente a través de la capa superior, lo que simplifica el proceso de fabricación y abre la puerta a dispositivos mucho más compactos.

«Dado que los VCSEL emiten luz desde la superficie superior», dijo Kevin Pikul, otro estudiante graduado en el grupo de Dallesasse, «eso hace que sea mucho más fácil crear matrices. Puede tener miles de VCSEL en una sola muestra».

Islas de láseres totalmente integrados

El enfoque estándar para crear matrices VCSEL es soldar manualmente láseres prefabricados en chips electrónicos en «unión de chips invertidos», un proceso lento que tiene una precisión limitada. Hacerlos aún más pequeños y más eficientes eventualmente requerirá integrarlos directamente con dispositivos electrónicos en microchips.

Espenhahn logró esto al tomar estructuras de dispositivos VCSEL sin procesar y unirlas a una plataforma temporal. Después de grabar distintas «islas» de material para los láseres individuales, se colocó encima una capa de material adhesivo. Luego, la plataforma temporal se volteó y se colocó sobre una plataforma principal de silicio, lo que provocó que las islas se pegaran. Después de retirar la plataforma temporal, lo que quedó fue una matriz de islas transferidas epitaxialmente listas para ser procesadas en dispositivos VCSEL.

Debido a que los VCSEL se fabrican después del proceso de transferencia, se pueden colocar con mucha más precisión en el circuito electrónico que los dispositivos vinculados con flip-chip. Además, los dispositivos resultantes tienen mejores propiedades térmicas que conducen a una mayor capacidad de control.

«Dado que solo tenemos una capa delgada de material epitaxial sobre el silicio», explicó Espenhahn, «el silicio absorbe el calor más rápidamente a medida que suministramos más energía. Esto nos permite controlar mejor la longitud de onda [color] de la luz y crear dispositivos con rangos de rendimiento más largos».

Transferencia epitaxial más allá de VCSEL

El reconocimiento facial es solo un ejemplo de una tecnología llamada LiDAR en la que la luz láser reflejada se usa para crear imágenes o modelos en las computadoras. Otro uso para LiDAR basado en VCSEL que está ganando importancia es la visión y detección en vehículos autónomos.

Pero Dallesasse imagina que la transferencia epitaxial puede ir más allá de los VCSEL.

«A medida que comenzamos a hablar de sistemas fotónicos electrónicos complejos para cosas como los autos sin conductor», señaló, «también podemos comenzar a usar estas técnicas para colocar funciones que no son de silicio en plataformas de silicio para hacer las cosas más compactas. El silicio también es velocidad limitada. Si quisiéramos integrar dispositivos electrónicos de mayor velocidad o dispositivos de potencia, también podríamos hacerlo usando un método de transferencia epitaxial».