Lasers semicondutores monoliticamente integrados com circuitos fotônicos de silício

27 de junho de 2023

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pela Academia Chinesa de Ciências

A fotônica do silício (Si) emergiu recentemente como uma tecnologia facilitadora chave em muitos campos de aplicação, graças à tecnologia de processo madura do Si, ao grande tamanho do wafer de silício e às propriedades ópticas do Si. No entanto, a incapacidade dos materiais à base de Si de emitirem luz de forma eficiente requer o uso de outros semicondutores como fontes de luz.

Os semicondutores III-V, ou seja, materiais feitos com elementos das colunas III e V da tabela periódica de elementos, são as fontes de laser semicondutores mais eficientes. Sua integração monolítica em circuitos integrados fotônicos de Si (PICs) tem sido considerada há décadas como o principal desafio para a realização de chips fotônicos de Si densos e totalmente integrados. Apesar do progresso recente, apenas lasers III-V discretos cultivados em pastilhas de Si nuas foram relatados até agora.

Num novo artigo publicado na Light Science & Application, uma equipa de cientistas europeus de França, Itália e Irlanda, liderada pelo professor Eric Tournié da Universidade de Montpellier (França), descobriu agora a integração eficiente de lasers semicondutores em Si-fotónica chips e acoplamento de luz em dispositivos fotônicos passivos.

Sua abordagem baseou-se em três pilares: o projeto e fabricação de Si-PIC, a deposição de material III-V e a fabricação a laser. Para esta prova de conceito, o PIC foi feito de guias de onda SiN transparentes em forma de S incorporados em uma matriz de SiO2. A pilha de SiO2/SiN/SiO2 foi gravada em áreas rebaixadas para abrir janelas de Si para a deposição do material III-V. Foi crucial preservar uma alta qualidade cristalina da superfície do Si após o ataque. A tecnologia GaSb foi selecionada como o material III-V, pois pode emitir por design em toda a faixa de comprimento de onda do infravermelho médio, onde muitos gases têm suas linhas de absorção de impressões digitais.

A epitaxia de feixe molecular (MBE), uma técnica que opera sob ultra-alto vácuo, foi usada para aumentar a pilha de camadas semicondutoras. Os cientistas já haviam demonstrado que esta técnica permite a remoção de um defeito específico que geralmente ocorre na interface Si/III-V e mata os dispositivos. Além disso, o MBE permite alinhar com precisão a parte do laser que emite luz com os guias de ondas SiN.

Finalmente, um processo microeletrônico foi usado para criar lasers de diodo a partir da pilha da camada epitaxial. Nesta fase, espelhos de alta qualidade devem ser criados através de gravação a plasma para obter emissão de laser. Apesar da complexidade do processo, o desempenho destes lasers de diodo integrados foi semelhante ao dos lasers de diodo cultivados em seu substrato GaSb nativo. Além disso, a luz laser foi acoplada aos guias de ondas, com uma eficiência de acoplamento alinhada com os cálculos teóricos.

Os cientistas resumem o trabalho: "Os diferentes desafios (fabricação e padronização de PIC, regeneração em um padrão PIC, processamento de laser de faceta gravada em áreas rebaixadas, etc.) devido à arquitetura particular dos dispositivos finais foram todos superados para demonstrar a emissão de laser e acoplamento de luz em guias de onda passivos, com eficiência de acoplamento alinhada aos cálculos teóricos.

"Embora demonstrado com lasers de diodo infravermelho médio direcionados a aplicações de detecção de gás, esta abordagem pode ser aplicada a qualquer sistema de materiais semicondutores. Além disso, pode ser ampliada para qualquer tamanho de wafer de Si até pelo menos 300 mm de diâmetro, sendo reatores epitaxiais disponível.