得益于成熟的硅工艺技术、大硅片尺寸和硅光学特性，硅(Si)光子学最近已成为许多应用领域的关键使能技术。然而，硅基材料无法有效发光，需要使用其他半导体作为光源。III-V族半导体，即由元素周期表中III族和V族元素制成的材料是最有效的半导体激光源。几十年来，它们在硅光子集成电路(PIC)上的单片集成一直被认为是实现完全集成、密集的硅光子芯片的主要挑战。尽管最近取得了进展，但迄今为止，无论波长和激光技术如何，都只报道了在裸硅晶圆上生长的分立 III-V 激光器。
在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由法国蒙彼利埃大学 Eric Tournié 教授领导的来自法国、意大利和爱尔兰的欧洲科学家团队现已解锁了半导体激光器与硅光子学的高效集成芯片和光耦合到无源光子器件中。
他们的方法依赖于三大支柱：Si-PIC 设计和制造、III-V 材料沉积、激光制造。为了进行这一概念验证，PIC 由嵌入 SiO 2基质中的透明 S 形 SiN 波导制成。SiO 2 /SiN/SiO 2堆叠在凹陷区域被蚀刻掉，以打开用于沉积 III-V 材料的 Si 窗口。至关重要的是在蚀刻后保持硅表面的高晶体质量。GaSb 技术被选为 III-V 材料，因为它可以在整个中红外波长范围内发射，许多气体在该范围内都有指纹吸收线。分子束外延(MBE)是一种在超高真空下操作的技术，用于生长半导体层堆叠。科学家们之前已经证明，这种技术可以消除通常出现在 Si/III-V 界面上并导致器件失效的特殊缺陷。此外，MBE 可以将发射光的激光部分与 SiN 波导精确对准。最后，采用微电子工艺从外延层堆叠中制造二极管激光器。在这个阶段，必须通过等离子蚀刻来制造高质量的镜子，以实现激光发射。尽管工艺复杂，这些集成二极管激光器的性能与在原生 GaSb 衬底上生长的二极管激光器相似。此外，激光被耦合到波导中，耦合效率符合理论计算。
科学家们总结了这项工作：
“由于最终器件的特定架构而导致的不同挑战(PIC 制造和图案化、图案 PIC 上的再生长、凹陷区域的蚀刻面激光加工等)都被克服，以演示激光发射和光耦合到无源波导中，耦合效率符合理论计算”。
“虽然通过针对气体传感应用的中红外二极管激光器进行了演示，但这种方法可以应用于任何半导体材料系统。此外，它还可以扩展到直径至少为 300 毫米的任何硅晶圆尺寸，并提供外延反应器。”
“所报道的方法和技术将为未来的硅光子集成电路开辟新的途径。它们解决了一个长期存在的问题，并为未来低成本、大规模、全集成的光子芯片奠定了基础。”
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