Light | III-V族雷射器與矽光子器件單片內建
研究背景
矽光子學由于其成熟的矽工藝技術、大矽片尺寸和有優良的矽光學性能，進而被廣泛的應用于資料通信、光學互連、量子技術或片上光學傳感器等領域。其中，基于SiN的波導具有卓越的高功率處理能力、更寬的透明度、更大的橫截面以及相比矽更低的損耗等特點，進而成為矽光子學晶片中的一種優質平台。此外，通過原子層沉積或非線性晶體的轉移印刷，在該技術中可以使用多樣化的方式來制造高效的電光調制器。現有的研究表明，盡管矽基光子晶片取得了令人印象深刻的進展，但Si和Ge的間接帶隙以及GeSn器件的性能仍然太低，使III-V族半導體雷射器與無源矽光子內建電路（PIC）的內建成為實作完全內建矽光子晶片的重要課題。目前最成熟的內建政策是異構內建，III-V異質結構首先在其天然襯底上生長，然後結合到矽基PIC上并加工成器件，這種技術已經可以制備商業産品甚至已經進入市場。但是，有證據表明，從內建密度和經濟角度來看，在Si-PIC上直接外延III-V族半導體雷射異質結構可能在中長期基礎上優于傳統的異質內建的方式。
鑒于這些觀點，在過去的十年裡，研究者們對矽襯底上III-V族雷射器的直接生長進行了廣泛的研究，并在從可見光到中紅外再到近紅外的各種波段的雷射器的外延內建方面取得了很大進展。盡管如此，迄今為止報道的所有矽上外延雷射器都是在平面矽晶片上而不是在PIC上生長的分立器件。
III-V族半導體在矽上的生長不可避免地會導緻不同類型的結構缺陷，對器件性能不利。盡管已經開發了各種政策來避免或減弱它們的影響，但已有的政策需要在雷射結構下生長相對較厚（1–5 µm）的緩沖層。雖然這種方式對于分立的III-V矽光電子器件來說不是問題，但這些緩沖層會阻止器件将倏逝光耦合到無源波導中。
另一種選擇是使用直接耦合的方式，将雷射器與無源波導耦合，或将外延III-V光電探測器與矽波導耦合。然而，外延直接耦合方法也帶來了挑戰，因為III-V族和矽基材料的制造和加工條件僅在一定程度上相容，并且損耗最低的SiN波導需要在高溫下進行沉積和處理（例如通過液相化學氣相沉積）。除了首先制造矽基光子晶片PIC、圖案化PIC晶片以限定外延區域，然後外延生長和處理III-V族雷射結構的方法之外，别無選擇。是以，需要研究在圖案化晶片上生長III-V族材料的方法，并在不損害PIC品質的情況下，用在凹陷區域中生長的材料制造器件。
創新研究
幾十年來，在同一矽襯底上直接外延III-V族雷射器和矽光子器件的單片內建一直被認為是實作緻密光子晶片的主要障礙。已有的研究也僅僅報道了在平面矽晶片上生長的離散III-V族雷射器。針對這一難題，Eric Tournié教授團隊提出并探索了克服這些挑戰的方案，并展示了在圖案化矽光子學平台上生長的III-V族雷射器，該雷射器可以實作與無源SiN波導間的光耦合。
圖1. 內建裝置概述。a） 最終器件的橫截面示意圖：外延內建III-V族雷射器的有源區發射的光耦合到SiN波導中。b） 實驗中使用的矽光子學PICs示意圖：首先處理100毫米的矽晶片，形成由SiO2層覆寫的SiN波導。圖案按20x20 mm²的正方形排列。然後将電媒體堆疊向下蝕刻到Si襯底，以打開III-V雷射器将外延生長的凹陷區域。然後對晶片進行切割，得到用于外延的20x20 mm²的切片。
具體而言，研究人員在配備有SiO2包覆的SiN波導的預圖案化矽基光子晶片上直接生長了中紅外GaSb基二極管雷射器，該雷射器可以發射2.3 µm附近的光，這是痕量氣體傳感或雷射雷達應用所感興趣的波長，并且可以在室溫下展示了超過10 mW的發射光輸出，如圖一所示。這克服了模闆架構帶來的生長和器件制造挑戰。
圖2. 矽上外延III-V族PIC結構的結構性質。a）III-V族外延後20x20 mm²晶粒的圖檔。灰色區域對應于多晶體III-V材料已經沉積在介電材料頂部的波導區域。鏡面狀區域是生長單晶III-V族材料的凹陷Si區域。b）雷射結構的高分辨率衍射掃描。c）外延雷射表面的20 x 20 µm²的AFM圖像。
此外，大約10%的光被耦合到SiN波導中，與直接耦合配置的理論計算非常一緻。
圖3. a）SEM圖像顯示雷射脊及其蝕刻面和無源波導。b）配備SiN波導的雷射棒的圖檔，準備在探測站上進行測試。DL長1.5毫米。
圖4. 矽基PIC上DL的L–I–V特性。a）8個DL在室溫下CW狀态下的L-I-V曲線。b） 對于典型DL，在20 °C和80 °C之間的不同溫度下拍攝的L-I-V曲線。
論文位址
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