科學(xué)家實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器與硅光子芯片的高效集成

發(fā)布：cyqdesign 2023-06-27 23:33 閱讀：1215

硅光子學(xué)近年來已成為許多應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵使能技術(shù)，這要?dú)w功于成熟的硅工藝技術(shù)、大硅片尺寸和硅光學(xué)特性。然而，硅基材料無法有效發(fā)光，需要使用其他半導(dǎo)體作為光源。

III-V族半導(dǎo)體，即由元素周期表中III族和V族元素制成的材料是最有效的半導(dǎo)體激光源。幾十年來，它們在硅光子集成電路（PIC）上的單片集成一直被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)完全集成、密集的硅光子芯片的主要挑戰(zhàn)。盡管最近取得了進(jìn)展，但迄今為止，無論波長和激光技術(shù)如何，都只報道了在裸硅晶圓上生長的分立III-V激光器。

在《光科學(xué)與應(yīng)用》（Light Science & Application）雜志上發(fā)表的一篇新論文中，由法國蒙彼利埃大學(xué)Eric Tournié教授領(lǐng)導(dǎo)的一個歐洲科學(xué)家團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已解鎖了半導(dǎo)體激光器與硅光子學(xué)的高效集成芯片和光耦合到無源光子器件中。

他們的方法依賴于三大支柱：Si-PIC設(shè)計(jì)和制造、III-V材料沉積、激光制造。為了驗(yàn)證這一概念，硅光子集成電路由嵌入二氧化硅基質(zhì)中的透明S形SiN波導(dǎo)制成。在凹陷區(qū)域中蝕刻掉SiO2/SiN/SiO2堆疊以打開用于沉積III-V材料的Si窗口。關(guān)鍵是在蝕刻后保持硅表面的高晶體質(zhì)量。選擇GaSb技術(shù)作為III-V族材料，因?yàn)樗梢酝ㄟ^設(shè)計(jì)在整個中紅外波長范圍內(nèi)發(fā)射，其中許多氣體都有其指紋吸收線。分子束外延是一種在超高真空下操作的技術(shù)，用于生長半導(dǎo)體層堆疊。

科學(xué)家們之前已經(jīng)證明，這種技術(shù)可以消除通常出現(xiàn)在Si/III-V界面上并導(dǎo)致器件失效的特殊缺陷。此外，分子束外延允許發(fā)射光的激光部分與SiN波導(dǎo)精確對準(zhǔn)。最后，使用微電子工藝從外延層堆疊中產(chǎn)生二極管激光器。在這個階段，為了實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射，必須通過等離子體蝕刻來產(chǎn)生高質(zhì)量的反射鏡。盡管工藝復(fù)雜，但這些集成二極管激光器的性能與在其天然GaSb襯底上生長的二極管激光器相似。此外，激光被耦合到波導(dǎo)中，其耦合效率符合理論計(jì)算。

科學(xué)家們總結(jié)了這項(xiàng)工作：最終器件的特殊架構(gòu)所帶來的不同挑戰(zhàn)，如：硅光子集成電路制造和圖案化、圖案硅光子集成電路上的再生長、凹進(jìn)區(qū)域的蝕刻面激光加工等都被克服，以演示激光發(fā)射和光耦合到無源波導(dǎo)中，耦合效率符合理論計(jì)算。

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