Lasers à semi-conducteurs monolithiquement intégrés avec circuits photoniques au silicium

27 juin 2023

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par l'Académie chinoise des sciences

La photonique sur silicium (Si) est récemment apparue comme une technologie clé dans de nombreux domaines d'application grâce à la technologie avancée du processus Si, à la grande taille des plaquettes de silicium et aux propriétés optiques du Si. Cependant, l’incapacité des matériaux à base de Si à émettre efficacement de la lumière nécessite l’utilisation d’autres semi-conducteurs pour les sources lumineuses.

Les semi-conducteurs III-V, c'est-à-dire les matériaux fabriqués avec des éléments des colonnes III et V du tableau périodique des éléments, sont les sources laser à semi-conducteurs les plus efficaces. Leur intégration monolithique sur des circuits intégrés photoniques (PIC) en Si est considérée depuis des décennies comme le principal défi pour la réalisation de puces photoniques en Si entièrement intégrées et denses. Malgré les progrès récents, seuls des lasers III-V discrets développés sur des tranches de Si nues ont été signalés jusqu'à présent.

Dans un nouvel article publié dans Light Science & Application, une équipe de scientifiques européens de France, d'Italie et d'Irlande, dirigée par le professeur Eric Tournié de l'Université de Montpellier (France), a dévoilé l'intégration efficace des lasers à semi-conducteurs sur la photonique Si. puces et couplage de lumière dans des dispositifs photoniques passifs.

Leur approche reposait sur trois piliers : la conception et la fabrication du Si-PIC, le dépôt de matériau III-V et la fabrication laser. Pour cette preuve de concept, le PIC était constitué de guides d’ondes SiN transparents en forme de S intégrés dans une matrice SiO2. L'empilement SiO2/SiN/SiO2 a été gravé dans des zones en retrait pour ouvrir des fenêtres en Si pour le dépôt du matériau III-V. Il était crucial de préserver une qualité cristalline élevée de la surface du Si après gravure. La technologie GaSb a été sélectionnée comme matériau III-V, car elle peut émettre, par conception, sur toute la gamme de longueurs d'onde de l'infrarouge moyen, où de nombreux gaz ont leurs raies d'absorption d'empreintes digitales.

L'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), une technique fonctionnant sous ultra-vide, a été utilisée pour faire croître l'empilement de couches semi-conductrices. Les scientifiques avaient précédemment montré que cette technique permettait de supprimer un défaut spécifique qui se produit habituellement à l'interface Si/III-V et tuait les dispositifs. De plus, MBE permet d’aligner précisément la partie laser qui émet de la lumière avec les guides d’ondes SiN.

Enfin, un procédé microélectronique a été utilisé pour créer des lasers à diode à partir de l'empilement de couches épitaxiales. À ce stade, des miroirs de haute qualité doivent être créés par gravure plasma afin de réaliser une émission laser. Malgré la complexité du processus, les performances de ces lasers à diode intégrée étaient similaires à celles des lasers à diode cultivés sur leur substrat GaSb natif. De plus, la lumière laser a été couplée aux guides d’ondes, avec une efficacité de couplage conforme aux calculs théoriques.

Les scientifiques résument les travaux : « Les différents défis (fabrication et modelage du PIC, repousse sur un motif PIC, traitement laser des facettes gravées dans les zones en retrait, etc.) dus à l'architecture particulière des dispositifs finaux ont tous été surmontés pour démontrer l'émission laser. et le couplage de la lumière dans des guides d'ondes passifs, avec une efficacité de couplage conforme aux calculs théoriques.

"Bien que démontrée avec des lasers à diode infrarouge moyen ciblant les applications de détection de gaz, cette approche peut être appliquée à n'importe quel système de matériaux semi-conducteurs. De plus, elle peut être étendue à n'importe quelle taille de tranche de Si jusqu'à au moins 300 mm de diamètre, les réacteurs épitaxiaux étant disponible.