Die Silizium (Si)-Photonik hat sich dank der ausgereiften Si-Prozesstechnologie, der großen Siliziumwafergröße und der optischen Eigenschaften von Si in jüngster Zeit zu einer Schlüsseltechnologie in vielen Anwendungsbereichen entwickelt. Da Si-basierte Materialien jedoch nicht effizient Licht emittieren können, müssen andere Halbleiter als Lichtquellen verwendet werden.
III-V-Halbleiter, also Materialien, die aus Elementen der III- und V-Säulen des Periodensystems der Elemente bestehen, sind die effizientesten Halbleiterlaserquellen. Ihre monolithische Integration auf Si-photonischen integrierten Schaltkreisen (PICs) gilt seit Jahrzehnten als größte Herausforderung für die Realisierung vollständig integrierter, dichter Si-Photonik-Chips. Trotz jüngster Fortschritte wurde bisher nur über diskrete III-V-Laser berichtet, die auf nackten Si-Wafern gezüchtet wurden.
In einem neuen Artikel veröffentlicht in Lichtwissenschaft und Anwendunghat ein Team europäischer Wissenschaftler aus Frankreich, Italien und Irland unter der Leitung von Professor Eric Tournié von der Universität Montpellier (Frankreich) nun die effiziente Integration von Halbleiterlasern auf Si-Photonik-Chips und die Lichtkopplung in passive photonische Geräte erschlossen.
Ihr Ansatz basierte auf drei Säulen: dem Si-PIC-Design und der Herstellung, der III-V-Materialabscheidung und der Laserherstellung. Für diesen Proof-of-Concept bestand der PIC aus transparenten, S-förmigen SiN-Wellenleitern, die in eine SiO2-Matrix eingebettet waren. Der SiO2/SiN/SiO2-Stapel wurde in vertieften Bereichen weggeätzt, um Si-Fenster für die Abscheidung des III-V-Materials zu öffnen. Entscheidend war, dass nach dem Ätzen eine hohe Kristallqualität der Si-Oberfläche erhalten blieb. Als III-V-Material wurde die GaSb-Technologie ausgewählt, da sie konstruktionsbedingt im gesamten mittleren Infrarot-Wellenlängenbereich emittieren kann, wo viele Gase ihre Fingerabdruck-Absorptionslinien haben.
Zum Wachstum des Halbleiterschichtstapels wurde die Molekularstrahlepitaxie (MBE) eingesetzt, eine Technik, die im Ultrahochvakuum arbeitet. Die Wissenschaftler hatten zuvor gezeigt, dass diese Technik die Beseitigung eines spezifischen Defekts ermöglicht, der normalerweise an der Si/III-V-Grenzfläche auftritt und die Geräte zerstört. Darüber hinaus ermöglicht MBE die präzise Ausrichtung des Laserteils, der Licht aussendet, auf die SiN-Wellenleiter.
Abschließend wurden mithilfe eines mikroelektronischen Verfahrens aus dem epitaktischen Schichtstapel Diodenlaser erzeugt. In diesem Stadium müssen durch Plasmaätzen hochwertige Spiegel erzeugt werden, um eine Laseremission zu erreichen. Trotz der Prozesskomplexität ähnelte die Leistung dieser integrierten Diodenlaser der von Diodenlasern, die auf ihrem nativen GaSb-Substrat gewachsen waren. Darüber hinaus wurde das Laserlicht in die Wellenleiter eingekoppelt, wobei die Einkoppeleffizienz den theoretischen Berechnungen entsprach.
Die Wissenschaftler fassen die Arbeit zusammen: „Die unterschiedlichen Herausforderungen (PIC-Herstellung und Strukturierung, Nachwachsen auf einem Muster-PIC, Laserbearbeitung mit geätzten Facetten in vertieften Bereichen usw.) aufgrund der besonderen Architektur der endgültigen Geräte wurden alle bewältigt, um die Laseremission zu demonstrieren.“ und Lichteinkopplung in passive Wellenleiter, mit einer Kopplungseffizienz im Einklang mit theoretischen Berechnungen.
„Obwohl dieser Ansatz mit Diodenlasern im mittleren Infrarotbereich für Gassensoranwendungen demonstriert wurde, kann er auf jedes Halbleitermaterialsystem angewendet werden. Darüber hinaus kann er auf jede Si-Wafergröße bis zu einem Durchmesser von mindestens 300 mm skaliert werden, einschließlich epitaktischer Reaktoren.“ verfügbar.
„Die beschriebene Methode und Technik wird neue Wege für zukünftige integrierte Si-Photonik-Schaltkreise eröffnen. Sie lösen ein seit langem bestehendes Problem und legen den Grundstein für zukünftige kostengünstige, großformatige, vollständig integrierte Photonik-Chips.“
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Andres Remis et al., Erschließung des monolithischen Integrationsszenarios: optische Kopplung zwischen epitaktisch auf strukturierten Si-Substraten gewachsenen GaSb-Diodenlasern und passiven SiN-Wellenleitern, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01185-4