Монолитно-интегрированные полупроводниковые лазеры с кремниевыми фотонными схемами

27 июня 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Китайской академии наук

Кремниевая (Si) фотоника недавно стала ключевой технологией во многих областях применения благодаря развитой технологии Si-процесса, большому размеру кремниевых пластин и оптическим свойствам Si. Однако неспособность материалов на основе Si эффективно излучать свет требует использования других полупроводников в качестве источников света.

Полупроводники III‑V, то есть материалы, изготовленные из элементов III- и V-столбцов периодической таблицы элементов, являются наиболее эффективными полупроводниковыми лазерными источниками. Их монолитная интеграция на кремниевых фотонных интегральных схемах (PIC) на протяжении десятилетий считалась основной проблемой для создания полностью интегрированных, плотных кремниевых фотонных чипов. Несмотря на недавний прогресс, до сих пор сообщалось только о дискретных лазерах III-V, выращенных на голых пластинах Si.

В новой статье, опубликованной в журнале Light Science & Application, группа европейских ученых из Франции, Италии и Ирландии под руководством профессора Эрика Турнье из Университета Монпелье (Франция) открыла эффективную интеграцию полупроводниковых лазеров в Si-фотонику. чипы и передача света в пассивные фотонные устройства.

Их подход опирался на три столпа: проектирование и изготовление Si-PIC, осаждение материалов III-V и лазерное изготовление. Для проверки концепции PIC был изготовлен из прозрачных S-образных волноводов SiN, встроенных в матрицу SiO2. Стек SiO2/SiN/SiO2 был вытравлен в углублениях, чтобы открыть окна Si для осаждения материала III-V. Крайне важно было сохранить высокое кристаллическое качество поверхности Si после травления. В качестве материала III-V была выбрана технология GaSb, поскольку она способна излучать во всем диапазоне длин волн среднего инфракрасного диапазона, где многие газы имеют свои линии поглощения.

Для выращивания стопки слоев полупроводника использовалась молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), метод, работающий в сверхвысоком вакууме. Ранее ученые показали, что этот метод позволяет устранить специфический дефект, который обычно возникает на интерфейсе Si/III-V и выводит из строя устройства. Кроме того, MBE позволяет точно совместить излучающую свет часть лазера с волноводами SiN.

Наконец, микроэлектронный процесс был использован для создания диодных лазеров из стопки эпитаксиальных слоев. На этом этапе необходимо создать высококачественные зеркала с помощью плазменного травления, чтобы добиться лазерного излучения. Несмотря на сложность процесса, характеристики этих интегрированных диодных лазеров были аналогичны характеристикам диодных лазеров, выращенных на собственной подложке GaSb. Далее лазерный свет вводился в волноводы с эффективностью связи, соответствующей теоретическим расчетам.

Ученые резюмируют работу: «Различные проблемы (изготовление и формирование рисунка PIC, повторное выращивание PIC по образцу, лазерная обработка травленых граней в утопленных областях и т. д.) из-за особой архитектуры конечных устройств были преодолены, чтобы продемонстрировать лазерное излучение. и передача света в пассивные волноводы с эффективностью связи, соответствующей теоретическим расчетам.

«Несмотря на то, что этот подход был продемонстрирован на диодных лазерах среднего инфракрасного диапазона, предназначенных для приложений, чувствительных к газу, этот подход может быть применен к любой системе полупроводниковых материалов. доступный.