Laser a semiconduttore integrati monoliticamente con circuiti fotonici in silicio

27 giugno 2023

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dall'Accademia Cinese delle Scienze

La fotonica del silicio (Si) è recentemente emersa come una tecnologia abilitante chiave in molti campi di applicazione grazie alla tecnologia di processo matura del Si, alle grandi dimensioni del wafer di silicio e alle proprietà ottiche del Si. Tuttavia, l’incapacità dei materiali a base di Si di emettere luce in modo efficiente richiede l’uso di altri semiconduttori come sorgenti luminose.

I semiconduttori III‑V, cioè i materiali realizzati con elementi delle colonne III e V della tavola periodica degli elementi, sono le sorgenti laser a semiconduttore più efficienti. La loro integrazione monolitica sui circuiti integrati fotonici di Si (PIC) è stata considerata per decenni come la sfida principale per la realizzazione di chip fotonici di Si densi e completamente integrati. Nonostante i recenti progressi, finora sono stati segnalati solo laser III-V discreti cresciuti su wafer di Si nudi.

In un nuovo articolo pubblicato su Light Science & Application, un team di scienziati europei provenienti da Francia, Italia e Irlanda, guidati dal professor Eric Tournié dell'Università di Montpellier (Francia), ha ora sbloccato l'efficiente integrazione dei laser a semiconduttore nella Si-fotonica chip e accoppiamento della luce in dispositivi fotonici passivi.

Il loro approccio si basava su tre pilastri: progettazione e fabbricazione del Si-PIC, deposizione del materiale III-V e fabbricazione tramite laser. Per questa prova di concetto, il PIC è stato realizzato con guide d'onda SiN trasparenti, a forma di S, incorporate in una matrice SiO2. La pila SiO2/SiN/SiO2 è stata incisa in aree rientranti per aprire finestre di Si per la deposizione del materiale III-V. Era fondamentale preservare un'elevata qualità cristallina della superficie del Si dopo l'attacco. La tecnologia GaSb è stata scelta come materiale III-V, in quanto può emettere, per impostazione predefinita, nell'intera gamma di lunghezze d'onda del medio infrarosso, dove molti gas hanno le loro linee di assorbimento delle impronte digitali.

Per far crescere la pila di strati semiconduttori è stata utilizzata l'epitassia a fascio molecolare (MBE), una tecnica che opera sotto vuoto ultraelevato. Gli scienziati avevano precedentemente dimostrato che questa tecnica consente la rimozione di un difetto specifico che solitamente si verifica nell'interfaccia Si/III-V e uccide i dispositivi. Inoltre, MBE consente di allineare con precisione la parte laser che emette luce con le guide d'onda SiN.

Infine, è stato utilizzato un processo microelettronico per creare laser a diodi dalla pila di strati epitassiali. In questa fase è necessario creare specchi di alta qualità attraverso l'incisione al plasma per ottenere l'emissione laser. Nonostante la complessità del processo, le prestazioni di questi laser a diodi integrati erano simili a quelle dei laser a diodi cresciuti sul loro substrato nativo di GaSb. Inoltre, la luce laser è stata accoppiata nelle guide d'onda, con un'efficienza di accoppiamento in linea con i calcoli teorici.

Gli scienziati riassumono il lavoro: "Le diverse sfide (fabbricazione e modellazione del PIC, ricrescita su un PIC modello, lavorazione laser delle sfaccettature incise in aree incassate, ecc.) dovute alla particolare architettura dei dispositivi finali sono state tutte superate per dimostrare l'emissione laser e accoppiamento della luce in guide d'onda passive, con un'efficienza di accoppiamento in linea con i calcoli teorici.

"Sebbene dimostrato con laser a diodi nel medio infrarosso destinati ad applicazioni di rilevamento di gas, questo approccio può essere applicato a qualsiasi sistema di materiali semiconduttori. Inoltre, può essere scalato fino a qualsiasi dimensione di wafer Si fino ad almeno 300 mm di diametro, essendo i reattori epitassiali disponibile.