Indium-fosfide: het materiaal achter laserlicht in glasvezel

Indium-fosfide, vaak afgekort als InP, is een kristallijn materiaal dat wordt opgebouwd uit twee elementen: indium en fosfor. Anders dan het silicium waar de meeste computerchips van worden gemaakt, is InP niet vooral geschikt om te rekenen, maar om licht te maken en te herkennen. Chips van indium-fosfide zetten elektrische stroom om in laserlicht, en andersom zetten ze binnenkomend licht weer om in een elektrisch signaal. Daarmee vormen ze de kern van veel apparatuur die informatie via licht verstuurt in plaats van via elektronen.

Een concreet voorbeeld: telkens wanneer je een video streamt of een bestand naar het buitenland stuurt, reist die data op enig moment als een pulserende lichtstraal door een glasvezelkabel, soms door duizenden kilometers kabel op de bodem van de oceaan. De laser die dat lichtsignaal opwekt, en de detector die het aan de andere kant weer opvangt, zijn in de praktijk vaak gemaakt van indium-fosfide. Zonder dit materiaal zou het opwekken van dat licht veel minder efficiënt zijn, en zou het internet zoals we het kennen trager en duurder zijn.

Wat is het precies?

Indium-fosfide behoort tot een groep materialen die "III-V-halfgeleiders" worden genoemd, vernoemd naar de kolommen in het periodiek systeem waar indium (groep III) en fosfor (groep V) uit afkomstig zijn. De atomen van beide elementen vormen samen een regelmatig kristalrooster, vergelijkbaar met hoe silicium-atomen een kristal vormen, maar met andere elektronische eigenschappen.

Het belangrijkste verschil met silicium zit in wat natuurkundigen een "directe bandgap" noemen. Wanneer een elektron in InP van een hoge naar een lage energietoestand valt, geeft het die energie meteen af als een lichtdeeltje (foton). In silicium gebeurt dat proces via een omweg, waarbij het grootste deel van de energie als warmte verloren gaat in plaats van als licht. Daardoor is silicium een uitstekend materiaal om mee te rekenen, maar een slecht materiaal om er efficiënt licht mee te maken. InP kan dat wel, en dat is precies waarom het zo'n belangrijke rol speelt in optische communicatie.

De energiekloof van InP komt bovendien overeen met licht in het nabij-infrarode gebied, met golflengtes rond 1300 en 1550 nanometer. Dat zijn toevallig ook de golflengtes waarbij standaard glasvezel het minste licht absorbeert of verstrooit, wat InP-lasers ideaal maakt voor communicatie over lange afstanden. Om zulke lasers te maken, laten fabrikanten met technieken als MOCVD of MBE (twee methodes om laag voor laag, atoom voor atoom, kristal te laten groeien) dunne lagen van InP en verwante legeringen zoals InGaAsP op een InP-substraatplaatje groeien. Door de precieze samenstelling van die lagen aan te passen, kan de golflengte van het uitgezonden licht nauwkeurig worden afgesteld. Met lithografie worden vervolgens piepkleine laserholtes, lichtgeleiders, modulatoren en detectoren op hetzelfde plaatje geëtst, wat een zogeheten fotonisch geïntegreerd circuit (PIC) oplevert: het optische equivalent van een elektronische chip. Naast lichtcomponenten wordt InP ook gebruikt voor snelle transistoren (HEMT's) die geschikt zijn voor hoogfrequente elektronica, zoals radar en bepaalde mobiele netwerktechniek.

Wat wil men ermee bereiken?

De belangrijkste drijfveer achter InP-onderzoek is de groeiende behoefte aan capaciteit in datacommunicatie. Internetverkeer neemt al decennia toe, en de opkomst van clouddiensten en AI-datacenters versterkt die groei verder. Om die data snel en energiezuinig te verplaatsen, is optische verbinding via glasvezel al lang de standaard voor lange afstanden, en dringt licht ook steeds verder door tot in datacenters zelf. InP-lasers en -detectoren maken die optische verbindingen mogelijk.

Een tweede doel is miniaturisatie en kostenverlaging via fotonische integratie: het samenbrengen van meerdere optische functies, zoals een laser, modulator en detector, op één klein chipje in plaats van losse componenten die apart moeten worden gemonteerd en uitgelijnd. Dat verlaagt productiekosten, energieverbruik en ruimtebeslag, op eenzelfde manier waarop elektronische chips decennia geleden discrete transistors vervingen. Daarnaast wordt InP ingezet voor toepassingen buiten telecom: lidar-sensoren voor zelfrijdende auto's gebruiken vaak InP-lasers omdat de golflengte van 1550 nanometer veiliger is voor het menselijk oog dan de golflengtes die veel goedkopere lidar-systemen gebruiken. In de ruimtevaart worden InP-achtige halfgeleiderlagen toegepast in stralingsbestendige zonnecellen voor satellieten, en in het opkomende veld van kwantumcommunicatie worden InP-chips onderzocht als bron van individuele fotonen voor beveiligde datatransmissie.

Voorbeelden uit de praktijk

• SMART Photonics (Eindhoven, opgericht in 2012): een Nederlandse "foundry", een fabriek die op bestelling fotonische chips van InP produceert voor andere bedrijven, en een van de weinige onafhankelijke InP-chipfabrieken ter wereld.
• PhotonDelta (Nederland, sinds 2019 ondersteund met nationale groeifondsmiddelen): een Nederlands ecosysteem van bedrijven, kennisinstellingen en overheid rond de regio Eindhoven, gericht op het opschalen van geïntegreerde fotonica, waaronder InP-technologie.
• III-V Lab (Frankrijk): een gezamenlijk laboratorium van Nokia Bell Labs, Thales en het onderzoeksinstituut CEA, dat al decennia InP-lasers en -componenten ontwikkelt voor telecom- en defensietoepassingen.
• Onderzoek aan de University of California, Santa Barbara (groep van hoogleraar John Bowers, sinds midden jaren 2000): pionierswerk in het combineren ("heterogene integratie") van InP-lasers met goedkopere siliciumfotonica-chips, een aanpak die inmiddels ook door meerdere bedrijven wordt toegepast.
• Infinera (Verenigde Staten): een telecombedrijf dat al sinds de jaren 2000 commerciële optische transceivers verkoopt gebaseerd op InP-fotonische chips, gebruikt in glasvezelnetwerken over de hele wereld.

Hoe ver is de techniek?

Losse InP-lasers zijn een volwassen technologie: ze worden al sinds eind jaren tachtig en de jaren negentig commercieel toegepast in telecomnetwerken. Het samenvoegen van veel optische functies op één chip, fotonische integratie, is echter nog volop in ontwikkeling. Waar elektronische chips inmiddels miljarden transistors bevatten, tellen de meest geavanceerde InP-fotonische chips momenteel enkele tientallen tot een paar honderd componenten. De vergelijking met de "Wet van Moore" uit de elektronica wordt weleens gemaakt, maar de groei in fotonica verloopt trager en de onderliggende natuurkunde is anders, dus die vergelijking gaat maar ten dele op.

Een praktisch obstakel is de wafergrootte. Silicium wordt inmiddels op plakken van 300 millimeter doorsnede verwerkt, terwijl InP-plakken doorgaans nog 2 tot 4 inch (ongeveer 5 tot 10 centimeter) groot zijn, met een geleidelijke overgang naar 6 inch. Kleinere wafers betekenen hogere kosten per chip. InP-kristallen zijn bovendien brozer dan silicium, wat de productie lastiger maakt. Ook de grondstof zelf is een aandachtspunt: indium is een relatief zeldzaam metaal dat vrijwel altijd als bijproduct van zinkwinning wordt gewonnen, waardoor de beschikbaarheid en prijs kunnen schommelen. Dit is geen acute schaarste, maar wel een factor die de opschaling kan beperken.

Om de sterke lichtopwekking van InP te combineren met de goedkope, grootschalige productie van siliciumchips, wordt in toenemende mate onderzoek gedaan naar hybride chips: een dun laagje InP wordt daarbij als lichtbron op een verder volledig op silicium gebaseerde chip geplaatst of gebonden. Deze aanpak wordt al in beperkte commerciële producten toegepast, maar is nog niet de dominante manier van produceren. De vraag naar optische verbindingen is de afgelopen jaren, mede door de groei van AI-datacenters, sneller gestegen dan verwacht, wat leidt tot nieuwe investeringen in InP-productiecapaciteit, al blijft schaalvergroting een langzaam proces vergeleken met de elektronica-industrie.

Wie werken eraan?

Aan de grondstofkant domineren Japanse bedrijven zoals Sumitomo Electric en JX Nippon Mining & Metals de wereldwijde levering van InP-substraatwafers. Het Britse IQE plc is een belangrijke leverancier van zogeheten epiwafers, waarop verdere lagen zijn gegroeid. In Nederland vormt SMART Photonics de kern van een chipfabricage-ecosysteem dat via PhotonDelta steun krijgt van de Nederlandse overheid en de Technische Universiteit Eindhoven, met als doel Europa een sterkere positie te geven in fotonische chips.

In de Verenigde Staten werken bedrijven als Infinera, Lumentum en Coherent (voorheen II-VI) aan InP-componenten en -transceivers voor telecom- en datacenternetwerken, terwijl universiteiten als UC Santa Barbara en MIT fundamenteel onderzoek doen naar nieuwe integratietechnieken. In Frankrijk combineert het III-V Lab onderzoek van Nokia Bell Labs, Thales en CEA. In België doet onderzoeksinstituut imec onderzoek naar fotonische integratie, en in Duitsland vervult het Fraunhofer Heinrich Hertz Institute een vergelijkbare rol. China bouwt de afgelopen jaren actief aan eigen productiecapaciteit voor InP, als onderdeel van bredere ambities op het gebied van halfgeleiders.

Verder lezen

• PhotonDelta — het Nederlandse ecosysteem voor geïntegreerde fotonica, met achtergrond over InP-toepassingen en -bedrijven.
• SMART Photonics — Nederlandse fabrikant van InP-fotonische chips, met uitleg over het productieproces.
• Nature — wetenschappelijk tijdschrift met regelmatig peer-reviewed onderzoek naar halfgeleiders en fotonica.
• IEEE Xplore — technische vakliteratuur over halfgeleiderfysica en optische communicatie.