科学家实现半导体激光器与硅光子芯片的高效集成

硅光子学近年来已成为许多应用领域的关键使能技术，这要归功于成熟的硅工艺技术、大硅片尺寸和硅光学特性。然而，硅基材料无法有效发光，需要使用其他半导体作为光源。 *yT>  
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III-V族半导体，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导体激光源。几十年来，它们在硅光子集成电路（PIC）上的单片集成一直被认为是实现完全集成、密集的硅光子芯片的主要挑战。尽管最近取得了进展，但迄今为止，无论波长和激光技术如何，都只报道了在裸硅晶圆上生长的分立III-V激光器。 %R?7u'=~  
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在《光科学与应用》（Light Science & Application）杂志上发表的一篇新论文中，由法国蒙彼利埃大学Eric Tournié教授领导的一个欧洲科学家团队现已解锁了半导体激光器与硅光子学的高效集成芯片和光耦合到无源光子器件中。 0e0)1;t\  
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他们的方法依赖于三大支柱：Si-PIC设计和制造、III-V材料沉积、激光制造。为了验证这一概念，硅光子集成电路由嵌入二氧化硅基质中的透明S形SiN波导制成。在凹陷区域中蚀刻掉SiO2/SiN/SiO2堆叠以打开用于沉积III-V材料的Si窗口。关键是在蚀刻后保持硅表面的高晶体质量。选择GaSb技术作为III-V族材料，因为它可以通过设计在整个中红外波长范围内发射，其中许多气体都有其指纹吸收线。分子束外延是一种在超高真空下操作的技术，用于生长半导体层堆叠。 %]7 6u7b/  
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科学家们之前已经证明，这种技术可以消除通常出现在Si/III-V界面上并导致器件失效的特殊缺陷。此外，分子束外延允许发射光的激光部分与SiN波导精确对准。最后，使用微电子工艺从外延层堆叠中产生二极管激光器。在这个阶段，为了实现激光发射，必须通过等离子体蚀刻来产生高质量的反射镜。尽管工艺复杂，但这些集成二极管激光器的性能与在其天然GaSb衬底上生长的二极管激光器相似。此外，激光被耦合到波导中，其耦合效率符合理论计算。 2R,} j@  
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科学家们总结了这项工作：最终器件的特殊架构所带来的不同挑战，如：硅光子集成电路制造和图案化、图案硅光子集成电路上的再生长、凹进区域的蚀刻面激光加工等都被克服，以演示激光发射和光耦合到无源波导中，耦合效率符合理论计算。 Y)/|C7~W  
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虽然通过针对气体传感应用的中红外二极管激光器进行了演示，但这种方法可以应用于任何半导体材料系统。此外，它还可以扩展到直径至少为300毫米的任何硅晶圆尺寸，并提供外延反应器。 `Ns@W?  
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这项研究成果将为未来的硅光子集成电路开辟新的途径。它们解决了一个长期存在的问题，并为未来低成本、大规模、全集成的光子芯片奠定了基础。 *y?6m,38V  
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相关链接：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01185-4