Czy kosztowne materiały wykorzystywane do produkcji nowoczesnych laserów półprzewodnikowych mogą służyć wielokrotnie, zamiast po jednym użyciu trafiać do odpadów? Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej, uczestniczący w europejskim projekcie REMOTION, chcą udowodnić, że jest to możliwe.

Opracowywana przez nich technologia ma nie tylko znacząco obniżyć koszty produkcji zaawansowanych urządzeń półprzewodnikowych, ale również ograniczyć zużycie cennych surowców i zmniejszyć zależność europejskiego przemysłu od zagranicznych dostawców.

Projekt otrzymał finansowanie w prestiżowym konkursie EIC Pathfinder Open 2026. Do finansowania wybrano zaledwie 43 projekty spośród 2103 zgłoszeń. W zwycięskich konsorcjach jest tylko pięć polskich podmiotów, w tym nasza uczelnia.

Koordynatorem trzyletniego projektu REMOTION jest Politechnika Warszawska. Zaplanowano w nim badania o łącznym budżecie niemal 4 mln euro.

Dla Politechniki Wrocławskiej przewidziano ponad 1,17 mln euro, czyli największą część środków w konsorcjum. Projekt połączy kompetencje zespołów dr. inż. Mikołaja Badury z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów oraz dr hab. inż. Marcina Syperka, prof. uczelni z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki.

Konsorcjum tworzą także Uniwersytet w Paderborn (Niemcy) oraz firma Mellanox Technologies.

Lasery dla centrów danych

Krzem jest podstawą współczesnej elektroniki, a coraz większą rolę odgrywa również w fotonice, czyli technologii wykorzystującej światło do przesyłania informacji. Połączenie elektroniki i fotoniki na jednej platformie krzemowej otwiera drogę do tworzenia szybszych i bardziej energooszczędnych systemów przesyłania i przetwarzania danych. Jest to szczególnie ważne w obliczu rozwoju sztucznej inteligencji i rosnącego zapotrzebowania na wydajne centra danych.

Na zdjęciu aparatura optyczna (fot. Adobe Stock).

Problem polega na tym, że krzem bardzo słabo emituje światło, przez co nie nadaje się do budowy wydajnych laserów. Do ich produkcji wykorzystuje się inne półprzewodniki, takie jak arsenek galu (GaAs) czy fosforek indu (InP). Choć technologie wytwarzania takich laserów są dobrze rozwinięte, ich masowa integracja z układami krzemowymi pozostaje dużym wyzwaniem.

W projekcie REMOTION naukowcy chcą opracować technologię umożliwiającą masową produkcję miniaturowych laserów i ich integrację z krzemowymi układami fotonicznymi. Kluczową innowacją będzie możliwość wielokrotnego wykorzystania kosztownych podłoży półprzewodnikowych, które w tradycyjnych procesach produkcyjnych są często bezpowrotnie usuwane. Pozwoli to znacząco ograniczyć koszty produkcji, zużycie surowców i ilość odpadów.

Podstawą rozwiązania jest technologia epitaksji zdalnej, w której struktury półprzewodnikowe wytwarzane są na podłożach pokrytych niezwykle cienką warstwą węgla, np. grafenu. Naukowcy zamierzają opracować sposób wytwarzania wysokiej jakości laserów, ich oddzielania od podłoża bez jego niszczenia, a następnie precyzyjnego przenoszenia na krzemowe układy fotoniczne. Cały proces ma być przystosowany do produkcji na skalę przemysłową.

Struktury laserowe z laboratoriów PWr

Nasza uczelnia poprowadzi dwa pakiety prac: wytwarzanie wielowarstwowych struktur półprzewodnikowych przeznaczonych do budowy laserów oraz ich przenoszenie na układy fotoniczne.

Za pierwszy obszar odpowiada dr inż. Mikołaj Badura z Katedry Mikroelektroniki i Nanotechnologii na Wydziale Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów.

Jego zespół będzie rozwijał procesy wzrostu struktur laserowych metodą epitaksji z fazy gazowej. Najpierw powstaną materiały na standardowych podłożach, które posłużą jako punkt odniesienia. Następnie badacze dostosują proces do podłoży z ultracienkimi warstwami węgla przygotowywanych przez partnerów projektu.

– Epitaksjalny wzrost struktur półprzewodnikowych to proces, w którym o długości fali emitowanego światła decyduje precyzyjnie kontrolowana grubość i skład nanowarstw. W projekcie REMOTION realizujemy zadanie bez precedensu w skali światowej – tłumaczy dr Badura. – Musimy doprowadzić do odtworzenia uporządkowanej sieci krystalicznej półprzewodnika w warunkach, gdy potencjał podłoża transmitowany jest przez ultracienką warstwę węgla amorficznego lub grafenu. To jeden z najbardziej krytycznych etapów projektu – śladowe niedoskonałości strukturalne lub naprężenia mogą całkowicie uniemożliwić pracę lasera.

Jego zespół zbada jakość monokrystalicznych warstw półprzewodnikowych, interfejsów, a także właściwości emitowanego światła. Wyniki pozwolą dobierać warunki wzrostu tak, aby ograniczać defekty materiału i uzyskać powtarzalne parametry struktur.

Precyzyjny druk na krzemie

Drugi obszar prac poprowadzi prof. Marcin Syperek z Katedry Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki. Jego zespół opracuje proces oddzielania cienkich struktur półprzewodnikowych od podłoża i ich osadzania w wybranych miejscach układu fotonicznego. Posłuży do tego druk mikrotransferowy.

– Laser musi trafić dokładnie w wybrane miejsce, żeby światło mogło sprawnie przejść do pozostałej części układu. Będziemy korzystać z elastycznych stempli, które podnoszą bardzo cienkie elementy półprzewodnikowe i przenoszą je precyzyjnie na nowe podłoże – tłumaczy prof. Syperek. – Opracowanie skalowalnego i powtarzalnego procesu, który nie uszkadza tych struktur, jest jednym z warunków przyszłego wykorzystania tej metody w produkcji.

Nasi badacze zakładają, że dokładność pozycjonowania elementów osiągnie poziom jednego mikrometra, czyli jednej tysięcznej milimetra. Sprawdzą również, jak skutecznie światło z przeniesionego lasera trafia do falowodu, czyli ścieżki prowadzącej je w fotonicznym układzie krzemowym. Wyniki tych pomiarów będą wykorzystywane do udoskonalania procesu wzrostu i przenoszenia struktur.

Na zdjęciu płytka krzemowa (fot. Adobe Stock).

Zespół prof. Syperka ma już doświadczenie w łączeniu półprzewodnikowych źródeł światła z platformami krzemowymi oraz w wykorzystaniu druku mikrotransferowego do integracji źródeł pojedynczych fotonów.

W projekcie REMOTION wiedza ta zostanie połączona z doświadczeniem zespołu dr. Badury w wytwarzaniu złożonych struktur półprzewodnikowych. Pozwoli to na zbadanie na naszej uczelni zależności między jakością materiału, sposobem jego przenoszenia a działaniem gotowego przyrządu.

Kolejny sukces w EIC Pathfinder

Konkurs EIC Pathfinder, finansowany w ramach programu Horyzont Europa, wspiera badania nad nowymi technologiami na wczesnym etapie rozwoju. Przeznaczony jest dla projektów o wysokim ryzyku naukowym, których powodzenie może prowadzić do powstania nowych rozwiązań i rynków.

Projekt REMOTION poszerza udział naukowców z Politechniki Wrocławskiej w EIC Pathfinder. Nasza uczelnia jest już koordynatorem projektu BrinE-loop, kierowanego przez dr. hab. inż. Sławomira Poradę z Wydziału Chemicznego. Ponadto badacze z PWr uczestniczą także – jako partnerzy – w projektach Bio4Pack oraz QCEED.

W tegorocznej edycji konkursu zespół prof. Marcina Syperka uczestniczył także jako partner w projekcie VerSiQu (Versatile single-photon transceiver platform for advanced quantum cryptography), który znalazł się na liście rezerwowej do finansowania.