Ученые создали основу для интегрированных фотонных чипов

Хотя кремний отлично справляется с обработкой оптических сигналов, он принципиально неэффективен в генерации света. Для этого необходимо интегрировать полупроводниковые материалы III-V групп, которые являются отличными излучателями света, в кремниевые подложки. Однако путь к монолитной интеграции был сопряжён с трудностями, вызванными несоответствием материалов.

По информации EE Times ,исследование, проведённое учёной Розалин Косчица из Калифорнийского университета, показало значительные успех в монолитной интеграции лазеров на квантовых точках (КТ) из арсенида индия (InAs) непосредственно в кремниевые фотонные чипы.

Монолитная интеграция, при которой полупроводниковые лазеры III-V поколения выращиваются непосредственно на кремниевых фотонных чипах, может произвести революцию в сфере передачи данных и других областях за счёт использования существующих производственных мощностей для масштабируемого крупносерийного производства.

Реализация этой концепции сталкивается с серьёзными материальными несоответствиями между кремнием и материалами III-V групп, которые препятствуют её развитию. К ним относятся фундаментальные различия в постоянной кристаллической решётки и коэффициенте теплового расширения, приводящие к образованию кристаллических дефектов, известных как винтовые дислокации (TD) и дислокации несоответствия (MD).

Такие дефекты снижают производительность устройств, что чрезвычайно усложняет точное производство фотонных чипов со встроенными лазерными источниками.

Исследователи добились значительных успехов в преодолении проблем, связанных с несоответствием материалов, и в обеспечении эффективной интеграции за счёт сочетания трёх инновационных методов:

Во-первых, ключевым достижением стала разработка «карманной лазерной платформы» Эта стратегия предполагает точечное травление кремниевых фотонных пластин в определённых областях для обнажения кремниевой подложки, что позволяет создавать углубления для гетероэпитаксиальных устройств III-V.

Во-вторых, внедрение сложной двухэтапной схемы выращивания материала, сочетающей металлоорганическое химическое осаждение из газовой фазы (MOCVD) и молекулярно-лучевую эпитаксию (MBE). Такой подход, сочетающий два метода, важен по нескольким причинам: он позволяет уменьшить начальный зазор между лазером и волноводом, что крайне важно для эффективной передачи света. Кроме того, он играет ключевую роль в устранении дефектов за счёт стратегического использования буферных слоёв и сверхрешёток из напряжённых слоёв.

В-третьих, был использован продуманный подход с заполнением зазора полимером с применением бензоциклобутена (BCB). Благодаря показателю преломления 1,56 BCB заполняет небольшой зазор между лазерной поверхностью III-V и волноводом из нитрида кремния (SiN).

Такой подход значительно улучшает оптическое ограничение и эффективность передачи света между активным лазером и пассивными компонентами кремниевой фотоники.

При эксплуатации при температуре 35 °C срок службы этих устройств, согласно экстраполированным данным, составляет 6,2 года. Кроме того, такой срок службы сопоставим с предыдущими показателями автономных квантовых диодных лазеров, выращенных на кремниевых подложках, что является значительным шагом вперёд для интегрированных систем.

Этот инновационный метод интеграции открывает огромные перспективы для развития фотоники, поскольку его можно применять в самых разных конструкциях фотонных интегральных схем.

Благодаря эффективному использованию существующих производственных возможностей это исследование открывает путь к масштабируемой и экономичной монолитной интеграции встроенных источников света для множества практических применений.

Сообщение Ученые создали основу для интегрированных фотонных чипов появились сначала на Время электроники.