Láseres semiconductores integrados monolíticamente con circuitos fotónicos de silicio.

27 de junio de 2023

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por la Academia China de Ciencias

La fotónica de silicio (Si) ha surgido recientemente como una tecnología clave en muchos campos de aplicación gracias a la tecnología madura del proceso de Si, el gran tamaño de la oblea de silicio y las propiedades ópticas del Si. Sin embargo, la incapacidad de los materiales basados ​​en Si para emitir luz de manera eficiente requiere el uso de otros semiconductores como fuentes de luz.

Los semiconductores III-V, es decir, materiales fabricados con elementos de las columnas III y V de la tabla periódica de elementos, son las fuentes láser semiconductoras más eficientes. Su integración monolítica en circuitos integrados fotónicos (PIC) de Si se ha considerado durante décadas como el principal desafío para la realización de chips fotónicos de Si densos y totalmente integrados. A pesar de los avances recientes, hasta ahora sólo se han informado láseres discretos III-V cultivados en obleas de Si desnudas.

En un nuevo artículo publicado en Light Science & Application, un equipo de científicos europeos de Francia, Italia e Irlanda, dirigido por el profesor Eric Tournié de la Universidad de Montpellier (Francia), ha descubierto la integración eficiente de láseres semiconductores en fotónica de Si. chips y acoplamiento de luz en dispositivos fotónicos pasivos.

Su enfoque se basó en tres pilares: el diseño y la fabricación de Si-PIC, la deposición de material III-V y la fabricación con láser. Para esta prueba de concepto, el PIC se fabricó con guías de ondas de SiN transparentes en forma de S incrustadas en una matriz de SiO2. La pila de SiO2/SiN/SiO2 se grabó en áreas empotradas para abrir ventanas de Si para la deposición del material III-V. Era crucial preservar una alta calidad cristalina de la superficie de Si después del grabado. Se seleccionó la tecnología GaSb como material III-V, ya que puede emitir por diseño en todo el rango de longitud de onda del infrarrojo medio, donde muchos gases tienen sus líneas de absorción de huellas dactilares.

Se utilizó epitaxia de haz molecular (MBE), una técnica que opera bajo vacío ultraalto, para hacer crecer la pila de capas semiconductoras. Los científicos habían demostrado previamente que esta técnica permite eliminar un defecto específico que suele ocurrir en la interfaz Si/III-V y destruye los dispositivos. Además, MBE permite alinear con precisión la parte del láser que emite luz con las guías de ondas SiN.

Finalmente, se utilizó un proceso microelectrónico para crear láseres de diodo a partir de la pila de capas epitaxiales. En esta etapa, se deben crear espejos de alta calidad mediante grabado con plasma para lograr la emisión láser. A pesar de la complejidad del proceso, el rendimiento de estos láseres de diodo integrados fue similar al de los láseres de diodo cultivados en su sustrato nativo de GaSb. Además, la luz láser se acopló a las guías de ondas, con una eficiencia de acoplamiento acorde con los cálculos teóricos.

Los científicos resumen el trabajo: "Los diferentes desafíos (fabricación y modelado de PIC, recrecimiento en un PIC de patrón, procesamiento láser de facetas grabadas en áreas rebajadas, etc.) debido a la arquitectura particular de los dispositivos finales se superaron para demostrar la emisión de láser. y acoplamiento de luz en guías de ondas pasivas, con una eficiencia de acoplamiento acorde con los cálculos teóricos.

"Aunque se ha demostrado con láseres de diodo de infrarrojo medio destinados a aplicaciones de detección de gases, este enfoque se puede aplicar a cualquier sistema de materiales semiconductores. Además, se puede ampliar a cualquier tamaño de oblea de Si hasta al menos 300 mm de diámetro, siendo los reactores epitaxiales disponible.

"El método y la técnica presentados abrirán nuevas vías para futuros circuitos integrados de fotónica de Si. Resuelven un problema de larga data y sientan las bases para futuros chips fotónicos totalmente integrados, de gran escala y de bajo costo".

Más información: Andrés Remis et al, Desbloqueo del escenario de integración monolítica: acoplamiento óptico entre láseres de diodo de GaSb cultivados epitaxialmente sobre sustratos de Si estampados y guías de ondas pasivas de SiN, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01185-4

Información de la revista:Luz: ciencia y aplicaciones

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