シリコンフォトニック回路を備えたモノリシック集積半導体レーザー

2023 年 6 月 27 日

この記事は、Science X の編集プロセスとポリシーに従ってレビューされています。 編集者は、コンテンツの信頼性を確保しながら、次の属性を強調しました。

事実確認済み

査読済みの出版物

信頼できる情報源

校正する

中国科学院による

シリコン (Si) フォトニクスは、成熟した Si プロセス技術、大きなシリコン ウェーハ サイズ、Si の光学特性のおかげで、多くの応用分野を可能にする重要な技術として最近浮上しています。 ただし、Si ベースの材料は効率的に発光できないため、光源には他の半導体を使用する必要があります。

III‑V 半導体、つまり元素周期表の III 列および V 列の元素で作られた材料は、最も効率的な半導体レーザー光源です。 Si フォトニック集積回路 (PIC) 上でのモノリシック集積は、完全に集積された高密度の Si フォトニクス チップを実現するための主な課題として、数十年にわたって考慮されてきました。 最近の進歩にもかかわらず、これまでのところ、裸の Si ウェーハ上で成長させた個別の III-V レーザーのみが報告されています。

Light Science & Application に掲載された新しい論文の中で、モンペリエ大学 (フランス) のエリック・トゥルニエ教授率いるフランス、イタリア、アイルランドのヨーロッパの科学者チームが、半導体レーザーの Si フォトニクスへの効率的な統合を可能にしました。チップと受動フォトニックデバイスへの光結合。

彼らのアプローチは、Si-PIC の設計と製造、III-V 材料の堆積、およびレーザー製造の 3 つの柱に依存していました。 この概念実証では、PIC は、SiO2 マトリックスに埋め込まれた透明な S 字型の SiN 導波路で作られました。 ＳｉＯ ２ ／ＳｉＮ／ＳｉＯ ２ スタックは、ＩＩＩ－Ｖ材料の堆積のためのＳｉウィンドウを開くために凹部領域でエッチング除去された。 エッチング後に Si 表面の高い結晶品質を維持することが重要でした。 GaSb テクノロジーは、多くのガスに指紋吸収線がある中赤外波長範囲全体にわたって設計により放射できるため、III-V 材料として選択されました。

半導体層スタックの成長には、超高真空下で動作する技術である分子線エピタキシー (MBE) が使用されました。 科学者らは以前、この技術により、通常はSi/III-V界面で発生してデバイスを破壊する特定の欠陥を除去できることを示していた。 さらに、MBE を使用すると、光を発するレーザー部分と SiN 導波路を正確に位置合わせすることができます。

最後に、マイクロエレクトロニクス プロセスを使用して、エピタキシャル層スタックからダイオード レーザーを作成しました。 この段階では、レーザー発光を実現するために、プラズマ エッチングによって高品質のミラーを作成する必要があります。 プロセスの複雑さにも関わらず、これらの集積ダイオード レーザーの性能は、ネイティブ GaSb 基板上で成長させたダイオード レーザーの性能と同様でした。 さらに、理論計算に一致する結合効率でレーザー光が導波路に結合されました。

科学者らは研究内容を次のように要約している：「最終デバイスの特定のアーキテクチャに起因するさまざまな課題（PICの製造とパターニング、パターンPIC上での再成長、凹部のエッチングファセットレーザー加工など）はすべて克服され、レーザー発光を実証できた」理論計算に沿った結合効率による受動導波路への光結合。

「ガス検知アプリケーションをターゲットとした中赤外ダイオードレーザーで実証されましたが、このアプローチはあらゆる半導体材料システムに適用できます。さらに、少なくとも直径 300 mm までのあらゆる Si ウェーハサイズにスケールアップでき、エピタキシャルリアクターは利用可能。