Kürzlich veröffentlichte Margaux Chanal, eine Wissenschaftlerin aus Frankreich, Katar, Russland und Griechenland, in der neuesten Ausgabe von Nature Communications einen Artikel mit dem Titel „Crossing the Threshold of Ultrafast Laser Writing in Bulk Silicon“. Bei früheren Versuchen, ultraschnelle Laser in Silizium zu schreiben, haben Femtosekundenlaser Durchbrüche in der strukturellen Unfähigkeit erzielt, massives Silizium zu verarbeiten. Durch die Verwendung extremer NA-Werte können Laserpulse eine ausreichende Ionisierung erreichen, um chemische Bindungen in Silizium zu zerstören, was zu dauerhaften strukturellen Veränderungen in Siliziummaterialien führt.
Seit Ende der 1990er Jahre schreiben Forscher ultrakurze Pulse von Femtosekundenlasern in Bulk-Materialien mit großer Bandlücke, bei denen es sich normalerweise um Isolatoren handelt. Aber bis jetzt kann für Materialien mit schmaler Bandlücke, wie Silizium und andere Halbleitermaterialien, kein präzises ultraschnelles Laserschreiben erreicht werden. Die Menschen haben daran gearbeitet, mehr Bedingungen für die Anwendung des 3D-Laserschreibens in der Siliziumphotonik und die Untersuchung neuer physikalischer Phänomene in Halbleitern zu schaffen, um den riesigen Markt der Siliziumanwendungen zu erweitern.
In diesem Experiment fanden die Wissenschaftler heraus, dass selbst wenn Femtosekundenlaser die Laserenergie auf die maximale Pulsintensität technisch erhöhen, das Bulk-Silizium nicht strukturell bearbeitet werden kann. Wenn jedoch Femtosekundenlaser durch ultraschnelle Laser ersetzt werden, gibt es keine physikalische Einschränkung beim Betrieb von Induktor-Siliziumstrukturen. Sie fanden auch heraus, dass Laserenergie schnell im Medium übertragen werden muss, um den Verlust der nichtlinearen Absorption zu minimieren. Die Probleme, auf die man in früheren Arbeiten gestoßen ist, stammen von der kleinen numerischen Apertur (NA) des Lasers, das ist der Winkelbereich, in den der Laser projiziert werden kann, wenn er gesendet und fokussiert wird. Die Forscher lösten das Problem der numerischen Apertur, indem sie eine Siliziumkugel als festes Immersionsmedium verwendeten. Wenn der Laser auf das Zentrum der Kugel fokussiert wird, wird die Brechung der Siliziumkugel vollständig unterdrückt und die numerische Apertur stark erhöht, wodurch das Problem des Schreibens von Siliziumphotonen gelöst wird.
Tatsächlich kann das 3D-Laserschreiben bei Silizium-Photonik-Anwendungen die Design- und Herstellungsverfahren auf dem Gebiet der Silizium-Photonik stark verändern. Die Siliziumphotonik gilt als die nächste Revolution der Mikroelektronik, die die endgültige Datenverarbeitungsgeschwindigkeit von Lasern auf Chipebene beeinflusst. Die Entwicklung der 3D-Laserschreibtechnologie öffnet der Mikroelektronik die Tür zu einer neuen Welt.
