실리콘 광자 회로를 갖춘 모놀리식으로 통합된 반도체 레이저

2023년 6월 27일

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실리콘(Si) 포토닉스는 성숙한 Si 공정 기술, 대형 실리콘 웨이퍼 크기 및 Si 광학 특성 덕분에 최근 다양한 응용 분야에서 핵심 구현 기술로 부상했습니다. 그러나 Si 기반 소재는 효율적으로 빛을 방출할 수 없기 때문에 광원으로 다른 반도체를 사용해야 합니다.

III-V 반도체, 즉 원소 주기율표의 III-열과 V-열의 원소로 만들어진 재료는 가장 효율적인 반도체 레이저 소스입니다. Si 광자 집적 회로(PIC)에 대한 모놀리식 통합은 수십 년 동안 완전히 통합되고 밀도가 높은 Si 광자 칩을 실현하기 위한 주요 과제로 간주되어 왔습니다. 최근의 진전에도 불구하고 지금까지 베어 Si 웨이퍼에서 성장한 개별 III-V 레이저만 보고되었습니다.

프랑스 몽펠리에 대학(프랑스)의 Eric Tournié 교수가 이끄는 프랑스, ​​이탈리아, 아일랜드의 유럽 과학자 팀이 Light Science & Application에 발표된 새로운 논문에서 반도체 레이저를 Si-포토닉스에 효율적으로 통합하는 방법을 공개했습니다. 칩과 광을 수동 광자 장치로 결합합니다.

그들의 접근 방식은 Si-PIC 설계 및 제조, III-V 재료 증착 및 레이저 제조라는 세 가지 기둥에 의존했습니다. 이 개념 증명을 위해 PIC는 SiO2 매트릭스에 내장된 투명한 S자형 SiN 도파관으로 만들어졌습니다. SiO2/SiN/SiO2 스택은 III-V 재료의 증착을 위해 Si 창을 열기 위해 오목한 영역에서 에칭되었습니다. 에칭 후 Si 표면의 높은 결정 품질을 유지하는 것이 중요했습니다. GaSb 기술은 설계상 많은 가스에 지문 흡수선이 있는 전체 중적외선 파장 범위에 걸쳐 방출할 수 있으므로 III-V 재료로 선택되었습니다.

초고진공에서 작동하는 기술인 분자선 에피택시(MBE)를 사용하여 반도체 층 스택을 성장시켰습니다. 과학자들은 이전에 이 기술이 Si/III-V 인터페이스에서 일반적으로 발생하고 장치를 죽이는 특정 결함을 제거할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 또한 MBE를 사용하면 빛을 방출하는 레이저 부분을 SiN 도파관과 정확하게 정렬할 수 있습니다.

마지막으로, 에피택셜 층 스택에서 다이오드 레이저를 생성하기 위해 마이크로 전자공학 공정이 사용되었습니다. 이 단계에서는 레이저 방출을 달성하기 위해 플라즈마 에칭을 통해 고품질 거울을 만들어야 합니다. 공정의 복잡성에도 불구하고 이러한 통합 다이오드 레이저의 성능은 기본 GaSb 기판에서 성장한 다이오드 레이저의 성능과 유사했습니다. 또한 레이저 광은 이론적인 계산과 일치하는 결합 효율로 도파관에 결합되었습니다.

과학자들은 작업을 다음과 같이 요약합니다. "최종 장치의 특정 아키텍처로 인한 다양한 과제(PIC 제조 및 패터닝, 패턴 PIC의 재성장, 오목한 부분의 에칭된 패싯 레이저 처리 등)가 모두 극복되어 레이저 방출을 보여줍니다. 이론적 계산에 따라 결합 효율을 갖는 수동 도파관으로의 광 결합.

"가스 감지 응용 분야를 대상으로 하는 중적외선 다이오드 레이저로 시연되었지만 이 접근 방식은 모든 반도체 재료 시스템에 적용될 수 있습니다. 또한 최대 직경 300mm의 Si 웨이퍼 크기로 확장할 수 있으며 에피택셜 반응기는 다음과 같습니다. 사용 가능.