eng
Выпуск #2/2024
М. С. Ковалев, И. М. Подлесных, К. Э. Певчих, С. И. Кудряшов
Планарная фотоника ближнего инфракрасного диапазона на основе сверхлегированного кремния: перспективы
Планарная фотоника ближнего инфракрасного диапазона на основе сверхлегированного кремния: перспективы
Просмотры: 806
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.2.136.151
Появление кремниевой фотоники за последние два десятилетия создало условия для того, чтобы кремний стал предпочтительной платформой для фотонной интеграции. В этом обзоре мы предлагаем наш взгляд на растущую область интегральной фотоники ближнего инфракрасного диапазона на кремнии и перспективные технологии обеспечения этого роста. Представлен комплексный обзор современного состояния таких ключевых фотонных устройств, как волноводы, источники света и детекторы.
Появление кремниевой фотоники за последние два десятилетия создало условия для того, чтобы кремний стал предпочтительной платформой для фотонной интеграции. В этом обзоре мы предлагаем наш взгляд на растущую область интегральной фотоники ближнего инфракрасного диапазона на кремнии и перспективные технологии обеспечения этого роста. Представлен комплексный обзор современного состояния таких ключевых фотонных устройств, как волноводы, источники света и детекторы.
Теги: direct laser beam writing hyperdoped silicon integrated infrared photonics optoelectronics. pulsed laser annealing импульсный лазерный отжиг интегральная фотоника инфракрасного диапазона оптоэлектроника прямая лазерная запись сверхлегированный кремний
Планарная фотоника ближнего инфракрасного диапазона на основе сверхлегированного кремния: перспективы
М. С. Ковалев 1, И. М. Подлесных 1, 2, К. Э. Певчих 3, С. И. Кудряшов 1, 2
Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН, Москва, Россия
НИУ МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
АО «ЗНТЦ», Зеленоград, Москва, Россия
Появление кремниевой фотоники за последние два десятилетия создало условия для того, чтобы кремний стал предпочтительной платформой для фотонной интеграции. В этом обзоре мы предлагаем наш взгляд на растущую область интегральной фотоники ближнего инфракрасного диапазона на кремнии и перспективные технологии обеспечения этого роста. Представлен комплексный обзор современного состояния таких ключевых фотонных устройств, как волноводы, источники света и детекторы.
Ключевые слова: сверхлегированный кремний, интегральная фотоника инфракрасного диапазона, импульсный лазерный отжиг, прямая лазерная запись, оптоэлектроника
Статья получена: 21.02.2024
Статья принята: 13.03.2024
Введение
Диапазон ближнего инфракрасного (БИК) излучения, охватывающий длины волн от 0,78 до 3 мкм [1], является важной технологической областью для различных приложений: микроэлектроники, телекоммуникаций и оптоэлектроники. Технические характеристики устройств, входящих в оптико-электронные системы и комплексы, работающие в диапазоне БИК, часто подвержены ухудшению из-за повышенной чувствительности к тепловым колебаниям. Такие эффекты требуют разработки систем обеспечения стабильного охлаждения, особенно для применяемых в таких системах приемников излучения. Современные коммерческие инфракрасные фотодетекторы, чувствительные в БИК-диапазоне, в большинстве своем основаны на узкозонных полупроводниках, таких как Ge (0,7–1,8 мкм), InGaAs (1,1–1,7 мкм) и InAs (0,9–3,5 мкм), а также других материалах. Однако производство таких фотодетекторов дорогостоящее, к тому же технологии их создания несовместимы с КМОП-процессом на основе кремния (Si), что ограничивает их интеграцию в Si-оптоэлектронику. При этом кремний является наиболее распространенным и экономически выгодным полупроводниковым материалом. Но ширина его запрещенной зоны в 1,12 эВ (при 300 К) ограничивает поглощение фотонов ИК-диапазона с длиной волны более 1,1 мкм.
Методы и подходы Si-фотоники в БИК-диапазоне с использованием КМОП-технологии позволяют интегрировать множество оптических элементов на одном чипе [2]. Подобная технология также открывает возможность создания субмикронных волноводов и компактной упаковки оптических элементов на поверхности чипа, что отражается на доступности соответствующих продуктов на рынке и подтверждает их потенциальную пригодность для различных областей техники. Несмотря на эти преимущества, существует ряд технических ограничений в интеграции лазерных источников, оптических усилителей и изоляторов, а также приемников на Si-платформу.
В данной статье мы представляем наше виденье растущей области интегральной фотоники БИК-диапазона. Si, используемый в качестве подложки, обладает уникальным сочетанием самых разных характеристик: больших размеров, прочности, химической и термической стабильности, доступности и низкой стоимости. Также он характеризуется высоким показателем преломления и обладает окном прозрачности в рассматриваемом диапазоне, что позволяет использовать его в качестве пассивного оптического материала. Тем не менее, интеграция новых материалов, «гибридно-интегрированных» с Si, является необходимым условием для создания интегральных фотонных систем БИК-диапазона. Эта тенденция аналогична использованию новых материалов в микроэлектронной промышленности. Цель этой статьи – представить обзор современных устройств БИК-диапазона, которые интегрированы с использованием технологий на основе Si, включая как монолитные, так и гибридные подходы, а также рассмотрение соответствующих технологий материалов, выходящих за рамки Si.
Волноводы и пассивные устройства
Пассивные компоненты, изготовленные из оптически прозрачных материалов, играют ключевую роль в фотонно-интегральных схемах. В БИК-диапазоне непрозрачность материалов начинается на длине волны, соответствующей началу поглощения фононов. Расширение окна прозрачности материала в данном диапазоне подразумевает замену более легких элементов на более тяжелые для снижения характерной фононной частоты. Эта тенденция проиллюстрирована рис. 1, где представлены окна прозрачности различных оптических материалов, определяемых как спектральные области, в которых поглощение составляет <1 дБ/см [3]. Рисунок демонстрирует возможность обоснованного выбора платформы из пассивных материалов в различных частях БИК-диапазона. И для длин волн короче 2 мкм стандартными технологиями являются кремний на изоляторе (КНИ) и нитрид кремния (Si3N4).
Существуют другие фотонные платформы, не включенные в перечисленные выше. Одна из стратегий предполагает замену оболочки из оксида кремния, имеющего потери, другими материалами, например, нитридом кремния [4] или нитридом германия. Другой вариант – использование германия на кремнии (Ge-on-Si или SiGe-on-Si), что обеспечивает совместимость с КМОП-процессами обработки Si, так как высококачественный германий может быть эпитаксиально выращен на Si [5]. Кроме того, высокий коэффициент преломления Ge означает, что Si-подложка может выполнять роль нижней оболочки. С другой стороны, халькогениды и галогениды, прозрачные для ИК-излучения, могут быть монолитно нанесены на Si- или диэлектрические подложки путем термического испарения или распыления, при этом волноводы формируются из двух композиций с различными коэффициентами преломления в качестве сердцевины и оболочки. По сравнению с Si- или Ge-слоями недостатком этого подхода является то, что обычно халькогениды и галогениды считаются не совместимыми с КМОП-процессами. Однако недавние публикации об интеграции халькогенидных устройств с Si-волноводами указывают на то, что такая гибридная конфигурация может обеспечить плавную интеграцию нетрадиционных материалов со стандартной платформой Si-фотоники [6].
Сегодня известно, что легирование представляет собой простую и эффективную технологию, позволяющую изменять свойства полупроводников, что значительно расширяет области их применения, в том числе в фотонно-интегральных схемах [7]. Легирование Si мелкими акцепторными (B) или донорными (P, As, Sb) примесями III и V группы периодической системы позволяет придавать ему необходимый тип и степень проводимости, что находит широкое применение в оптоэлектронике для создания разнообразных устройств. Однако возникает потребность в расширении функциональных возможностей Si в области ближнего и среднего ИК-излучения (0,78–10 мкм), где базовыми материалами для оптоэлектроники являются узкозонные полупроводники типа A3B5 (InAs, InSb) и CdHgTe. Тем не менее, технология обработки таких материалов плохо совместима с традиционной Si-технологией. Перспективным подходом для увеличения поглощения Si в области длин волн 0,78–10 мкм является его сверхлегирование (hyperdoping) – внедрение глубоких примесей (S, Se, Te, Ti, V, Fe, Co, Ni, Ag, Au) с энергией ионизации 0,1–0,5 эВ. При сверхлегировании концентрация примесей превышает 1019 см−3, что существенно (на несколько порядков) выше равновесной растворимости этих примесей в Si (1015–1016 см−3) и приводит к формированию примесных зон [8]. Присутствие таких зон способствует поглощению фотонов с низкой энергией. Недавние исследования по сверхлегированию Si уже показали перспективные результаты по высокому уровню оптического поглощения Si в области длин волн 0,78–10 мкм (до 50%), а также получению фотоотклика на фотодиодных структурах до 500 мА / Вт на длинах волн 1,31 и 1,55 мкм.
Табл. 1 демонстрирует различные пассивные платформы, доступные для интегральной фотоники в БИК-диапазоне на основе Si, включая наилучшие результаты по производительности с низкими потерями, достигнутые в каждой категории.
Технология
сверхлегирования кремния
Одним из основных условий для обеспечения внутризонного поглощения света в сверхлегированных Si-образцах является создание высоких концентраций глубоких примесей (с энергией ионизации около 0,5 эВ). Обычно предел равновесной растворимости таких примесей не превышает 1016 см−3. Однако данной концентрации недостаточно для формирования промежуточной разрешенной зоны в полупроводнике, которая возникает при концентрациях около 1019 см−3. Поэтому при сверхлегировании Si используют неравновесные методы внедрения примеси в полупроводник [17].
На рис. 2 представлены различные методы сверхлегирования, которые стали популярными в среде исследователей в последние десятилетия [18]. Один из самых перспективных методов – ионная имплантация с последующим импульсным лазерным плавлением, где длительность импульса составляет от 1 нс до 1000 нс. Этот метод позволяет создавать сверхлегированный слой толщиной до нескольких сотен нанометров с требуемой концентрацией примеси (рис. 2а). Важно отметить, что последующее импульсное лазерное облучение приводит к восстановлению кристаллической структуры образцов и снижению радиационно-наведенных дефектов, возникающих в результате ионной имплантации. Другим методом уменьшения радиационно-наведенных дефектов является отжиг, который осуществляется с использованием импульсной лампы (рис. 2b) и характеризуется быстрым нагревом и охлаждением полупроводника. Длительность воздействия лампы составляет от 1 мкс до 1 мс, и этот метод относится к способам твердофазной эпитаксии. Несмотря на то, что отжиг лампой приводит к незначительной диффузии примеси и неполному восстановлению кристаллической структуры Si, данный метод является альтернативой для уменьшения радиационно-наведенных дефектов. Наконец, более простой технологически метод предполагает предварительное осаждение на поверхность Si тонкой пленки материала примеси и последующее импульсное лазерное плавление этой системы (рис. 2с). В результате процесса плавления, сопоставимого по времени с длительностью импульса, происходит жидкофазная диффузия примесных атомов в полупроводник, что позволяет обеспечить как их высокую концентрацию, так и хорошую кристалличность сверхлегированного слоя. Однако при высокоинтенсивном лазерном воздействии значительная часть материала примеси аблируется, поэтому толщина слоя зачастую не превышает нескольких сотен нанометров.
Источники излучения
Интеграция источников света на Si представляет собой значительную проблему из-за существующей у Si непрямой запрещенной зоны. Несмотря на это, в настоящее время существуют три потенциальных подхода к решению этой проблемы: гетерогенная интеграция каскадных и полупроводниковых лазеров, нелинейная частотная генерация или конверсия и гетероэпитаксия узкозонных полупроводниковых соединений на Si. Все эти методы были экспериментально апробированы.
С момента изобретения в 1990‑х годах квантово-каскадных лазеров (ККЛ) и межзонных каскадных лазеров значительно продвинулись технологии их изготовления. Хотя гетерогенная интеграция ККЛ с Si-фотоникой была продемонстрирована Споттом [19] на 4,8 мкм с использованием пластины кремний-на-нитриде-на-изоляторе, разработка ККЛ, работающих при комнатной температуре в БИК-диапазоне, еще не достигнута. В данном случае хорошую альтернативу предлагают классические полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур типа-I или типа-II. Так, известны работы, в которых было предложено несколько примеров гетерогенной интеграции ИК-диодных лазеров и усилителей III–V с кремниевыми волноводами, включая лазеры Фабри-Перо и DFB на базе InP, излучающие в диапазоне 2,0 мкм [20] и 2,3 мкм [21], лазер Фабри-Перо на базе GaSb, работающий на 2,38 мкм [22], и оптический усилитель на базе InP при 2,0 мкм [23]. Также известна структура лазера на мультиквантовых ямах на основе InP на кремнии, излучающего на 2,3 мкм, который служит примером большого класса гетерогенно интегрированных лазеров III–V [21].
Гетероэпитаксия, то есть выращивание некремниевых материалов на Si, открывает возможности для интеграции устройств на основе Si с улучшенными оптоэлектронными свойствами. В телекоммуникационном диапазоне гетероэпитаксиальный рост достиг наилучшего уровня в создании лазерных источников с электрической накачкой на Si на основе n-легированного Ge [24] и квантовых точек InAs / GaAs [25]. Также генерация в ближнем ИК-диапазоне также была достигнута с использованием GaSb, GeSn и соединений свинца. Однако лазеры на соединениях свинца имеют ограничения в оптической накачке и используют внешние резонаторы в свободном пространстве, за исключением фотонно-кристаллических поверхностно-излучающих лазеров. Материал GaSb-on-Si, вероятно, является наиболее перспективным с точки зрения разработки лазерных устройств, предоставляя непрерывную генерацию с электрической накачкой при комнатной температуре. Однако структура лазера выращивается на обрезанной пластине Si из-за проблем с образованием противофазных доменов. Также необходимо развитие технологий интеграции лазеров с другими элементами планарных фотонных схем.
В последние годы были предприняты значительные усилия для исследования и разработки лазеров на основе Si. Несмотря на то, что Si обладает непрямым полупроводниковым переходом и обычно не применяется в оптических устройствах, в литературе приведены примеры использования Si для создания рамановских лазеров и лазеров, использующих квантово-каскадные эффекты. Недавно [26, 27] разработали Si-лазер, демонстрирующий непрерывное излучение при комнатной температуре на длине волны 1,3 мкм. Типичные значения плотности порогового тока для лазерных колебаний составили 1,1–2,0 кА/см², отношение мощностей в TE-поляризации и TM-поляризации во время колебаний – 8 : 1, оптическая выходная мощность 50 мкВт (при токе 60 мА) и внешняя дифференциальная квантовая эффективность 1%. Однако некоторые параметры у таких лазеров – рабочая температура, эффективность, длина волны – пока не соответствуют требованиям практического использования. В табл. 2 приведены основные характеристики лазерных структур.
Волноводно-интегрированные фотодетекторы
Фотодетекторы играют важную роль в преобразовании оптических сигналов в электронную форму и являются неотъемлемой частью интегральных фотонных схем [33]. Интеграция приемников на таких схемах обеспечивает ряд значительных преимуществ. Во-первых, интеграция способствует улучшению отношения сигнал/шум (ОСШ) за счет подавления шума. Это обусловлено тем, что различные виды шумов (дробовой шум, шум Джонсона и шум рекомбинации генерации), которые часто ограничивают ОСШ детектора, линейно зависят от активного объема детектора. Когда свет направляется в детектор через волновод (с показателем преломления сердцевины n), а не из свободного пространства, активный объем детектора и, следовательно, шум могут быть уменьшены примерно в n2 раз без потери оптического поглощения. Это имеет важное значение для детекторов в БИК-диапазоне, изготовленных из узкозонных полупроводников, страдающих от более высокого уровня собственных шумов. Во-вторых, детекторы, интегрированные в волноводы, могут обеспечить более широкую полосу пропускания, чем их аналоги в свободном пространстве. Уменьшение объема детектора также уменьшает RC-задержку и время прохождения несущей в фотоэлектрических детекторах. Наконец, детекторы, интегрированные в волноводы, избегают компромисса между оптическим поглощением и сбором носителей заряда, что часто характерно для детекторов в свободном пространстве. Это облегчает обеспечение высокой квантовой эффективности без ущерба для эффективности сбора носителей заряда и временных ограничений переноса заряда. Таким образом, детекторы со встроенным волноводом предлагают возможность избежать этого компромисса, поскольку оптический путь и путь сбора носителей ортогональны, в то время как в детекторах в свободном пространстве эти пути часто совпадают.
В БИК-области спектра были продемонстрированы четыре класса детекторов, интегрированных в волновод, где активный материал детектора включает (1) гибридные узкозонные полупроводники, (2) монолитно нанесенные или выращенные узкозонные полупроводники, (3) узкозонные полупроводники или полуметаллы Ван-дер-Ваальса, или (4) ионно-имплантированный Si с намеренно введенными примесями. В табл. 3 сравниваются встроенные в волноводы детекторы БИК-диапазона, основанные на последней технологии.
С 1950‑х годов проводятся активные исследования, направленные на увеличение чувствительности Si в ИК-области спектра. Одним из методов является создание глубоких примесей, акцепторных или донорных уровней которых находятся близко к середине запрещенной зоны Si (c энергией ионизации около 0,5 эВ), и их концентрация превышает равновесные значения растворимости в Si (более 1019 см−3; для равновесной растворимости около 1015–1016 см−3). Это приводит к получению сверхлегированного Si, материал с примечательными фотоэлектрическими свойствами на длинах волн более 1,1 мкм и поглощением около 103 см−1 на длине волны 1,55 мкм. Такой подход обладает низкими затратами и простотой процесса без необходимости использования нетрадиционных материалов. Неравновесные технологии, ионная имплантация и импульсное лазерное легирование также сыграли значительную роль в развитии Si-микроэлектроники и дали возможность достичь требуемых высоких концентраций примеси с низкой растворимостью, что было невозможно при использовании классических методов, например, термодиффузии. Однако обработка Si с использованием технологий ионной имплантации и импульсного лазерного легирования может вызывать образование радиационно-наведенных дефектов, которые увеличивают вероятность безызлучательной рекомбинации носителей заряда. Этот эффект нежелателен для фотодиодов. Поэтому после обработки требуется постобработка для восстановления кристаллической структуры материала и активации легирующих примесей. Для этого используют, например, импульсный лазерный отжиг кремния, который позволяет частично или полностью восстановить поврежденный слой, превращая аморфную фазу в квазимонокристаллическую или поликристаллическую структуру с высокой концентрацией примеси.
Криогенно охлаждаемые внешние Si- и Ge-детекторы, использующие электронные переходы из состояний мелких примесей в зону проводимости или валентную зону, в том числе детекторы с заблокированной примесной зоной, широко используют для измерений сигналов ИК-диапазона. Исследования продемонстрировали работу КНИ-детекторов (рис. 4) с имплантацией ионов Zn и S при комнатной температуре за счет использования преимуществ относительно глубоких уровней, связанных с примесями Zn и S [34]. Волнообразные детекторы КНИ с имплантатами Si+ и Ar+ также были рассмотрены. Данные детекторы полностью совместимы со стандартным КМОП-производством и позволяют избежать использования посторонних материалов в Si-платформе. Однако основным недостатком этих детекторов является их низкая чувствительность, присутствующая из-за слабой концентрации примеси или поглощения, опосредованных уровнями дефектов. Работа устройства при высоком напряжении смещения в лавинном режиме может значительно повысить его фоточувствительность, однако это сопровождается ухудшением показателей шума. В табл. 3 сравниваются характеристики встроенных в волновод детекторов БИК-диапазона, созданных на основе технологии сверхлегированного кремния.
Заключение
Следует отметить, что большинство описанных примеров ключевых оптоэлектронных устройств для оптико-электронных систем – волноводов, излучателей и детекторов излучения, перспективных для использования в ближнем ИК-диапазоне, выбраны из обширного объема литературы, опубликованной за последнее десятилетие. Анализ современного состояния технологий создания таких устройств на основе Si-платформы показывает перспективность их фотонной интеграции в БИК-диапазоне и выделение нового направления в кремниевой технологии – технологии создания фотонных элементов на кремнии. Интеграция нескольких материалов, выходящих за рамки традиционных материалов на основе кремния, является ключевым фактором прогресса в области создания элементов для БИК-диапазона. Развитие интеграции играет важную роль в преодолении технологических ограничений, а переход от оптимизации отдельных фотонных устройств к интеграции на системном уровне открывает большие возможности для фотоники в БИК-диапазоне.
Финансирование
Результаты получены в рамках выполнения госзадания № FSFN‑2024–0019.
REFERENCES
ISO 20473:2007. Optics and photonics. Spectral bands.
D. X. Xu, J. H. Schmid, G. T. Reed, G. Z. Mashanovich, D. J. Thomson, M. Nedeljkovic, X. Chen, D. V. Thourhout, S. Keyvaninia, S. K. Selvaraja. Silicon Photonic Integration Platform – Have We Found the Sweet Spot? IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2014; 20(4): 189–205. DOI: 10.1109/JSTQE.2014.2299634.
Minh A. Tran, Chong Zhang, Theodore J. Morin, Lin Chang, Sabyasachi Barik, Zhiquan Yuan, Woonghee Lee, Glenn Kim, Aditya Malik, Zeyu Zhang, Joel Guo, Heming Wang, Boqiang Shen, Lue Wu, Kerry Vahala, John E. Bowers, Hyundai Park & Tin Komljenovic. Extending the spectrum of fully integrated photonics to submicrometre wavelengths. Nature. 2022; 610: 54–60. DOI: 10.1038/s41586‑022‑05119‑9.
Saeed Khan, Jeff Chiles, Jichi Ma, Sasan Fathpour. Silicon-on-nitride waveguides for mid- and near-infrared integrated photonics. Applied Physics Letters. 2013; 102: 121104. DOI: 10.1063/1.4798557.
M. Nedeljkovic, J. S. Penadés, C. Mitchell, A. Khokhar, S. Stankovic, T. Domínguez Bucio, C. Littlejohns, F. Gardes, G. Mashanovich. Surface-Grating-Coupled Low-Loss Ge-on-Si Rib Waveguides and Multimode Interferometers. IEEE Photonics Technology Letters. 2015; 27(10): 1040–1043. DOI: 10.1109/LPT.2015.2405611.
Hongtao Lin, Lan Li, Yi Zou, Sylvain Danto, J David Musgraves, Kathleen Richardson, Stephen Kozacik, Maciej Murakowski, Dennis Prather, Pao T Lin, Vivek Singh, Anu Agarwal, Lionel C Kimerling, Juejun Hu. Demonstration of high-Q mid-infrared chalcogenide glass-on-silicon resonators. Optics Letters. 2013; 38(9): 1470–2. DOI: 10.1364/OL.38.001470.
Hongtao Lin, Zhengqian Luo, Tian Gu, Lionel C. Kimerling, Kazumi Wada, Anu Agarwal and Juejun Hu. Mid-infrared integrated photonics on silicon: a perspective. Nanophotonics. 2017; 7(2): 393–420. DOI: 10.1515/nanoph‑2017‑0085.
Kudryashov S., Nastulyavichus A., Krasin G., Khamidullin K., Boldyrev K., Kirilenko D., Yachmenev A., Ponomarev D., Komandin G., Lebedev S., Prikhod’ko D., Kovalev M. CMOS-compatible direct laser writing of sulfur-ultrahyperdoped silicon: Breakthrough pre-requisite for UV-THz optoelectronic nano/microintegration. Optics & Laser Technology. 2023; 158: 108873. DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108873.
Luke K., Okawachi Y., Lamont M. R. E., Gaeta A. L., Lipson M. Broadband mid-infrared frequency comb generation in a Si3N4 microresonator. Optics Letters. 2015; 40: 4823–6. DOI: 10.1364/OL.40.004823.
Cheng Z. Z., Chen X., Wong C. Y. Focusing subwavelength grating coupler for mid-infrared suspended membrane waveguide. Optics Letters. 2012; 37: 1217–9. DOI: 10.1364/OL.37.001217.
Kang J., Cheng Z., Zhou W. Focusing subwavelength grating coupler for mid-infrared suspended membrane germanium waveguides. Optics Letters. 2017; 42: 2094-7. DOI: 10.1364/OL.42.002094.
Griffith A. G., Lau R. K., Cardenas J. Silicon-chip mid-infrared frequency comb generation. Nature Communications. 2015; 6: 6299. DOI: 10.1038/ncomms7299.
Lin P. T., Jung H., Kimerling L. C., Agarwal A., Tang H. X. Low-loss aluminium nitride thin film for mid-infrared microphotonics. Laser & Photonics Reviews. 2014; 8: L23–8. DOI: 10.1002/lpor.201300176.
Xia Y., Qiu C., Zhang X., Gao W., Shu J., Xu Q. Suspended Si ring resonator for mid-IR application. Optics Letters. 2013; 38: 1122–4. DOI: 10.1364/OL.38.001122.
Cheng Z. Z., Chen X., Wong C. Y., Xu K., Tsang H. K. Mid-infrared suspended membrane waveguide and ring resonator on silicon-on-insulator. IEEE Photonics Journal. 2012; 4: 1510–1519. DOI: 10.1109/JPHOT.2012.2210700.
Xiao T.-H., Zhao Z., Zhou W. Mid-infrared germanium photonic crystal cavity. Optics Letters. 2017; 42: 2882–5. DOI: 10.1364/OL.42.002882.
Michael Kovalev, Alena Nastulyavichus, Ivan Podlesnykh, Nikita Stsepuro, Victoria Pryakhina, Evgeny Greshnyakov, Alexey Serdobintsev, Iliya Gritsenko, Roman Khmelnitskii and Sergey Kudryashov. Au-Hyperdoped Si Nanolayer: Laser Processing Techniques and Corresponding Material Properties. Materials. 2023; 16(12): 4439. DOI: 10.3390/ma16124439.
Jonathan P. Mailoa, Austin J. Akey, Christie B. Simmons, David Hutchinson, Jay Mathews, Joseph T. Sullivan, Daniel Recht, Mark T. Winkler, James S. Williams, Jeffrey M. Warrender, Peter D. Persans, Michael J. Aziz & Tonio Buonassisi. Room-temperature sub-band gap optoelectronic response of hyperdoped silicon. Nature Communications. 2014; 5: 3011. DOI: 10.1038/ncomms4011.
Alexander Spott, Michael Davenport, Jon Peters, Jock Bovington, Martijn J R Heck, Eric J Stanton, Igor Vurgaftman, Jerry Meyer, John Bowers. Heterogeneously integrated 2.0 μm CW hybrid silicon lasers at room temperature. Optics Letters. 2015; 40(7): 1480–1483. DOI: 10.1364/OL.40.001480.
Ruijun Wang, Stephan Sprengel, Aditya Malik, Anton Vasiliev, Gerhard Boehm, Roel Baets, Markus-Christian Amann, Gunther Roelkens. Heterogeneously integrated III–V-on-silicon 2.3x μm distributed feedback lasers based on a type-II active region. Applied Physics Letters. 2016; 109: 221111. DOI: 10.1063/1.4971350.
Ruijun Wang, Stephan Sprengel, Gerhard Boehm, Muhammad Muneeb, Roel Baets, Markus-Christian Amann, Gunther Roelkens. 2.3 µm range InP-based type-II quantum well Fabry-Perot lasers heterogeneously integrated on a silicon photonic integrated circuit. Optics Express. 24(18):21081–21089. DOI: 10.1364/OE.24.021081.
Roel Roelkens, Utsav Dave, Alban Gassenq, Nannicha Hattasan, Chen Hu, Bart Kuyken, Francois Leo, Aditya Malik, Muhammad Muneeb, Eva Ryckeboer, Dorian Sanchez, Sarah Uvin, Ruijun Wang, Zeger Hens, Roel Baets, Yosuke Shimura, Federica Gencarelli, Benjamin Vincent, Roger Loo, Joris van Campenhout, Laurent Cerutti, Jean-Baptiste Rodriguez, Eric Tournié, Xia Chen, Milos Nedeljkovic, Goran Z. Mashanovich, Li Shen, Noel Healy, Anna C. Peacock, Xiaoping Liu, Richard Osgood, William M. J. Green. Silicon-Based Photonic Integration Beyond the Telecommunication Wavelength Range. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2014; 20(4): 8201511. DOI: 10.1109/JSTQE.2013.2294460.
Nicolas Volet, Alexander Spott, Eric J. Stanton, Michael L. Davenport, Lin Chang, Jon D. Peters, Travis C. Briles, Igor Vurgaftman, Jerry R. Meyer, John E. Bowers. Semiconductor optical amplifiers at 2.0‑µm wavelength on silicon. Laser & Photonics Reviews. 2017; 11(2): 1600165. DOI: 10.1002/lpor.201600165.
Rodolfo E Camacho-Aguilera 1, Yan Cai, Neil Patel, Jonathan T Bessette, Marco Romagnoli, Lionel C Kimerling, Jurgen Michel. An electrically pumped germanium laser. Optics Express. 20(10):11316–11320. DOI: 10.1364/OE.20.011316.
Siming Chen, Wei Li, Jiang Wu, Qi Jiang, Mingchu Tang, Samuel Shutts, Stella N. Elliott, Angela Sobiesierski, Alwyn J. Seeds, Ian Ross, Peter M. Smowton & Huiyun Liu. Electrically pumped continuous-wave III–V quantum dot lasers on silicon. Nature Photonics. 2016; 10: 307–311. DOI: 10.1038/nphoton.2016.21.
T. Kawazoe, M. Ohtsu, K. Akahane & N. Yamamoto. Si homojunction structured near-infrared laser based on a phonon-assisted process. Rapid Communication. 2012; 107: 659–663. DOI: 10.1007/s00340‑012‑5053‑2.
Di Liang & John E. Bowers. Recent progress in lasers on silicon. Nature Photonics. 2010; 4: 511–517. DOI: 10.1038/nphoton.2010.167.
Rodriguez J., Cerutti L., Grech P., Tournié E. Room-temperature operation of a 2.25 μm electrically pumped laser fabricated on a silicon substrate. Applied Physics Letters. 2009; 94: 061124. DOI: 10.1063/1.3082098.
Reboul J.-R., Cerutti L., Rodriguez J.-B., Grech P., Tournié E. Continuous-wave operation above room temperature of GaSb-based laser diodes grown on Si. Applied Physics Letters. 2011; 99:1 21113. DOI: 10.1063/1.3644983.
Wirths S., Geiger R., Von Den Driesch N. Lasing in direct-bandgap GeSn alloy grown on Si. Nature Photonics. 2015; 9: 88–92. DOI: 10.1038/nphoton.2014.321.
Stange D., Wirths S., Geiger R. Optically pumped GeSn microdisk lasers on Si. ACS Photonics. 2016; 3: 1279–1285. DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00258.
Al-Kabi S., Ghetmiri S. A., Margetis J. An optically pumped 2.5 μm GeSn laser on Si operating at 110 K. Applied Physics Letters. 2016; 109: 171105. DOI: 10.1063/1.4966141.
Antoni Rogalski. Progress in focal plane array technologies. Progress in Quantum Electronics. 2012; 36(2–3): 342–473. DOI: 10.1016/j.pquantelec.2012.07.001.
Grote, Richard R., Souhan, Brian, Ophir, Noam, Driscoll, Jeffrey B., Bergman, Keren, Bahkru, Hassaram, Green, William M. J., Osgood, Richard M. Extrinsic photodiodes for integrated mid-infrared silicon photonics. Optica. 2014; 1(4): 264. DOI: 10.1364/OPTICA.1.000264.
Qiu X. D., Wang Z. J., Hou X. T. Visible-blind short-wavelength infrared photodetector with high responsivity based on hyperdoped silicon. Photonics Research. 2019; 7(3): 351–358. DOI: 10.1364/PRJ.7.000351.
Li C., Zhao J. H., Liu X. H., Ren Z. Y., Yang Y., Chen Z. G., Chen Q. D., Sun H. B. Record-Breaking-High-Responsivity Silicon Photodetector at Infrared 1.31 and 1.55 μm by Argon Doping Technique. IEEE Transactions on Electron Devices. 2023; 70(5): 2364–2369. DOI: 10.1109/TED.2023.3261823.
Li C. H., Wang X. P., Zhao J. H. Black silicon IR photodiode supersaturated with nitrogen by femtosecond laser irradiation. IEEE Sensors Journal. 2018; 18(9): 3595–3601. DOI: 10.1109/JSEN.2018.2812730.
Wang K., Yang H. G., Wang X. Y. 1064 nm photoresponse enhancement of femtosecond-laser-irradiated Si photodiodes by etching treatment. Applied Physics Express. 2018; 11: 062203. DOI: 10.7567/APEX.11.062203.
Du L. Y., Wu Z. M., Li R. Near-infrared photoresponse of femtosecond-laser processed Se-doped silicon n+-n photodiodes. Optics Letters. 2016; 41(21): 5031–5034. DOI: 10.1364/OL.41.005031.
Jia Z. X., Wu Q., Jin X. R. Highly responsive tellurium-hyperdoped black silicon photodiode with single-crystalline and uniform surface microstructure. Optics Express. 2020; 28(4): 5239–5247. DOI: 10.1364/OE.385887.
АВТОРЫ
М. С. Ковалев, к. т. н., с. н. с., ФИАН им. П. Н. Лебедев, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-5074-0718
И. М. Подлесных, стажер-исследователь, ФИАН им. П. Н. Лебедев, инженер МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-3381-2972
К. Э. Певчих, к. т. н., руководитель технологического направления интегральной фотоники, АО «Зеленоградский нанотехнологический центр», Зеленоград, Москва, Россия
С. И. Кудряшов, д. ф.‑ м. н., в. н. с., ФИАН им. П. Н. Лебедева, в. н. с., МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-6657-2739
М. С. Ковалев, к. т. н., с. н. с. ФИАН.
ORCID: 0000-0001-5074-0718
И. М. Подлесных, стажер-исследователь ФИАН, инженер МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия
ORCID: 0000-0003-3381-2972
К. Э. Певчих, к.т.н., рук.направления интегральной фотоники, АО «ЗНТЦ», Зеленоград, Москва, Россия.
С. И. Кудряшов, д. ф.‑ м. н., в. н. с. ФИАН, в. н. с. МГТУ имени Н. Э. Баумана.
ORCID: 0000-0001-6657-2739
Распределение работ
в авторском коллективе
М. С. Ковалев: идея проведения исследования, обсуждение результатов, написание и написание рукописи; И. М. Подлесных: сбор материалов и обработка результатов; К. Э. Певчих: предложения по выбору направлений, написание и редактирование рукописи; С. И. Кудряшов: организация работы, обсуждение результатов и редактирование рукописи
Конфликт интересов
Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов. Каждый член авторского коллектива дополнил рукопись в своей части работы, в обсуждении результатов приняли участие все члены авторского коллектива.
М. С. Ковалев 1, И. М. Подлесных 1, 2, К. Э. Певчих 3, С. И. Кудряшов 1, 2
Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН, Москва, Россия
НИУ МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия
АО «ЗНТЦ», Зеленоград, Москва, Россия
Появление кремниевой фотоники за последние два десятилетия создало условия для того, чтобы кремний стал предпочтительной платформой для фотонной интеграции. В этом обзоре мы предлагаем наш взгляд на растущую область интегральной фотоники ближнего инфракрасного диапазона на кремнии и перспективные технологии обеспечения этого роста. Представлен комплексный обзор современного состояния таких ключевых фотонных устройств, как волноводы, источники света и детекторы.
Ключевые слова: сверхлегированный кремний, интегральная фотоника инфракрасного диапазона, импульсный лазерный отжиг, прямая лазерная запись, оптоэлектроника
Статья получена: 21.02.2024
Статья принята: 13.03.2024
Введение
Диапазон ближнего инфракрасного (БИК) излучения, охватывающий длины волн от 0,78 до 3 мкм [1], является важной технологической областью для различных приложений: микроэлектроники, телекоммуникаций и оптоэлектроники. Технические характеристики устройств, входящих в оптико-электронные системы и комплексы, работающие в диапазоне БИК, часто подвержены ухудшению из-за повышенной чувствительности к тепловым колебаниям. Такие эффекты требуют разработки систем обеспечения стабильного охлаждения, особенно для применяемых в таких системах приемников излучения. Современные коммерческие инфракрасные фотодетекторы, чувствительные в БИК-диапазоне, в большинстве своем основаны на узкозонных полупроводниках, таких как Ge (0,7–1,8 мкм), InGaAs (1,1–1,7 мкм) и InAs (0,9–3,5 мкм), а также других материалах. Однако производство таких фотодетекторов дорогостоящее, к тому же технологии их создания несовместимы с КМОП-процессом на основе кремния (Si), что ограничивает их интеграцию в Si-оптоэлектронику. При этом кремний является наиболее распространенным и экономически выгодным полупроводниковым материалом. Но ширина его запрещенной зоны в 1,12 эВ (при 300 К) ограничивает поглощение фотонов ИК-диапазона с длиной волны более 1,1 мкм.
Методы и подходы Si-фотоники в БИК-диапазоне с использованием КМОП-технологии позволяют интегрировать множество оптических элементов на одном чипе [2]. Подобная технология также открывает возможность создания субмикронных волноводов и компактной упаковки оптических элементов на поверхности чипа, что отражается на доступности соответствующих продуктов на рынке и подтверждает их потенциальную пригодность для различных областей техники. Несмотря на эти преимущества, существует ряд технических ограничений в интеграции лазерных источников, оптических усилителей и изоляторов, а также приемников на Si-платформу.
В данной статье мы представляем наше виденье растущей области интегральной фотоники БИК-диапазона. Si, используемый в качестве подложки, обладает уникальным сочетанием самых разных характеристик: больших размеров, прочности, химической и термической стабильности, доступности и низкой стоимости. Также он характеризуется высоким показателем преломления и обладает окном прозрачности в рассматриваемом диапазоне, что позволяет использовать его в качестве пассивного оптического материала. Тем не менее, интеграция новых материалов, «гибридно-интегрированных» с Si, является необходимым условием для создания интегральных фотонных систем БИК-диапазона. Эта тенденция аналогична использованию новых материалов в микроэлектронной промышленности. Цель этой статьи – представить обзор современных устройств БИК-диапазона, которые интегрированы с использованием технологий на основе Si, включая как монолитные, так и гибридные подходы, а также рассмотрение соответствующих технологий материалов, выходящих за рамки Si.
Волноводы и пассивные устройства
Пассивные компоненты, изготовленные из оптически прозрачных материалов, играют ключевую роль в фотонно-интегральных схемах. В БИК-диапазоне непрозрачность материалов начинается на длине волны, соответствующей началу поглощения фононов. Расширение окна прозрачности материала в данном диапазоне подразумевает замену более легких элементов на более тяжелые для снижения характерной фононной частоты. Эта тенденция проиллюстрирована рис. 1, где представлены окна прозрачности различных оптических материалов, определяемых как спектральные области, в которых поглощение составляет <1 дБ/см [3]. Рисунок демонстрирует возможность обоснованного выбора платформы из пассивных материалов в различных частях БИК-диапазона. И для длин волн короче 2 мкм стандартными технологиями являются кремний на изоляторе (КНИ) и нитрид кремния (Si3N4).
Существуют другие фотонные платформы, не включенные в перечисленные выше. Одна из стратегий предполагает замену оболочки из оксида кремния, имеющего потери, другими материалами, например, нитридом кремния [4] или нитридом германия. Другой вариант – использование германия на кремнии (Ge-on-Si или SiGe-on-Si), что обеспечивает совместимость с КМОП-процессами обработки Si, так как высококачественный германий может быть эпитаксиально выращен на Si [5]. Кроме того, высокий коэффициент преломления Ge означает, что Si-подложка может выполнять роль нижней оболочки. С другой стороны, халькогениды и галогениды, прозрачные для ИК-излучения, могут быть монолитно нанесены на Si- или диэлектрические подложки путем термического испарения или распыления, при этом волноводы формируются из двух композиций с различными коэффициентами преломления в качестве сердцевины и оболочки. По сравнению с Si- или Ge-слоями недостатком этого подхода является то, что обычно халькогениды и галогениды считаются не совместимыми с КМОП-процессами. Однако недавние публикации об интеграции халькогенидных устройств с Si-волноводами указывают на то, что такая гибридная конфигурация может обеспечить плавную интеграцию нетрадиционных материалов со стандартной платформой Si-фотоники [6].
Сегодня известно, что легирование представляет собой простую и эффективную технологию, позволяющую изменять свойства полупроводников, что значительно расширяет области их применения, в том числе в фотонно-интегральных схемах [7]. Легирование Si мелкими акцепторными (B) или донорными (P, As, Sb) примесями III и V группы периодической системы позволяет придавать ему необходимый тип и степень проводимости, что находит широкое применение в оптоэлектронике для создания разнообразных устройств. Однако возникает потребность в расширении функциональных возможностей Si в области ближнего и среднего ИК-излучения (0,78–10 мкм), где базовыми материалами для оптоэлектроники являются узкозонные полупроводники типа A3B5 (InAs, InSb) и CdHgTe. Тем не менее, технология обработки таких материалов плохо совместима с традиционной Si-технологией. Перспективным подходом для увеличения поглощения Si в области длин волн 0,78–10 мкм является его сверхлегирование (hyperdoping) – внедрение глубоких примесей (S, Se, Te, Ti, V, Fe, Co, Ni, Ag, Au) с энергией ионизации 0,1–0,5 эВ. При сверхлегировании концентрация примесей превышает 1019 см−3, что существенно (на несколько порядков) выше равновесной растворимости этих примесей в Si (1015–1016 см−3) и приводит к формированию примесных зон [8]. Присутствие таких зон способствует поглощению фотонов с низкой энергией. Недавние исследования по сверхлегированию Si уже показали перспективные результаты по высокому уровню оптического поглощения Si в области длин волн 0,78–10 мкм (до 50%), а также получению фотоотклика на фотодиодных структурах до 500 мА / Вт на длинах волн 1,31 и 1,55 мкм.
Табл. 1 демонстрирует различные пассивные платформы, доступные для интегральной фотоники в БИК-диапазоне на основе Si, включая наилучшие результаты по производительности с низкими потерями, достигнутые в каждой категории.
Технология
сверхлегирования кремния
Одним из основных условий для обеспечения внутризонного поглощения света в сверхлегированных Si-образцах является создание высоких концентраций глубоких примесей (с энергией ионизации около 0,5 эВ). Обычно предел равновесной растворимости таких примесей не превышает 1016 см−3. Однако данной концентрации недостаточно для формирования промежуточной разрешенной зоны в полупроводнике, которая возникает при концентрациях около 1019 см−3. Поэтому при сверхлегировании Si используют неравновесные методы внедрения примеси в полупроводник [17].
На рис. 2 представлены различные методы сверхлегирования, которые стали популярными в среде исследователей в последние десятилетия [18]. Один из самых перспективных методов – ионная имплантация с последующим импульсным лазерным плавлением, где длительность импульса составляет от 1 нс до 1000 нс. Этот метод позволяет создавать сверхлегированный слой толщиной до нескольких сотен нанометров с требуемой концентрацией примеси (рис. 2а). Важно отметить, что последующее импульсное лазерное облучение приводит к восстановлению кристаллической структуры образцов и снижению радиационно-наведенных дефектов, возникающих в результате ионной имплантации. Другим методом уменьшения радиационно-наведенных дефектов является отжиг, который осуществляется с использованием импульсной лампы (рис. 2b) и характеризуется быстрым нагревом и охлаждением полупроводника. Длительность воздействия лампы составляет от 1 мкс до 1 мс, и этот метод относится к способам твердофазной эпитаксии. Несмотря на то, что отжиг лампой приводит к незначительной диффузии примеси и неполному восстановлению кристаллической структуры Si, данный метод является альтернативой для уменьшения радиационно-наведенных дефектов. Наконец, более простой технологически метод предполагает предварительное осаждение на поверхность Si тонкой пленки материала примеси и последующее импульсное лазерное плавление этой системы (рис. 2с). В результате процесса плавления, сопоставимого по времени с длительностью импульса, происходит жидкофазная диффузия примесных атомов в полупроводник, что позволяет обеспечить как их высокую концентрацию, так и хорошую кристалличность сверхлегированного слоя. Однако при высокоинтенсивном лазерном воздействии значительная часть материала примеси аблируется, поэтому толщина слоя зачастую не превышает нескольких сотен нанометров.
Источники излучения
Интеграция источников света на Si представляет собой значительную проблему из-за существующей у Si непрямой запрещенной зоны. Несмотря на это, в настоящее время существуют три потенциальных подхода к решению этой проблемы: гетерогенная интеграция каскадных и полупроводниковых лазеров, нелинейная частотная генерация или конверсия и гетероэпитаксия узкозонных полупроводниковых соединений на Si. Все эти методы были экспериментально апробированы.
С момента изобретения в 1990‑х годах квантово-каскадных лазеров (ККЛ) и межзонных каскадных лазеров значительно продвинулись технологии их изготовления. Хотя гетерогенная интеграция ККЛ с Si-фотоникой была продемонстрирована Споттом [19] на 4,8 мкм с использованием пластины кремний-на-нитриде-на-изоляторе, разработка ККЛ, работающих при комнатной температуре в БИК-диапазоне, еще не достигнута. В данном случае хорошую альтернативу предлагают классические полупроводниковые лазеры на основе гетероструктур типа-I или типа-II. Так, известны работы, в которых было предложено несколько примеров гетерогенной интеграции ИК-диодных лазеров и усилителей III–V с кремниевыми волноводами, включая лазеры Фабри-Перо и DFB на базе InP, излучающие в диапазоне 2,0 мкм [20] и 2,3 мкм [21], лазер Фабри-Перо на базе GaSb, работающий на 2,38 мкм [22], и оптический усилитель на базе InP при 2,0 мкм [23]. Также известна структура лазера на мультиквантовых ямах на основе InP на кремнии, излучающего на 2,3 мкм, который служит примером большого класса гетерогенно интегрированных лазеров III–V [21].
Гетероэпитаксия, то есть выращивание некремниевых материалов на Si, открывает возможности для интеграции устройств на основе Si с улучшенными оптоэлектронными свойствами. В телекоммуникационном диапазоне гетероэпитаксиальный рост достиг наилучшего уровня в создании лазерных источников с электрической накачкой на Si на основе n-легированного Ge [24] и квантовых точек InAs / GaAs [25]. Также генерация в ближнем ИК-диапазоне также была достигнута с использованием GaSb, GeSn и соединений свинца. Однако лазеры на соединениях свинца имеют ограничения в оптической накачке и используют внешние резонаторы в свободном пространстве, за исключением фотонно-кристаллических поверхностно-излучающих лазеров. Материал GaSb-on-Si, вероятно, является наиболее перспективным с точки зрения разработки лазерных устройств, предоставляя непрерывную генерацию с электрической накачкой при комнатной температуре. Однако структура лазера выращивается на обрезанной пластине Si из-за проблем с образованием противофазных доменов. Также необходимо развитие технологий интеграции лазеров с другими элементами планарных фотонных схем.
В последние годы были предприняты значительные усилия для исследования и разработки лазеров на основе Si. Несмотря на то, что Si обладает непрямым полупроводниковым переходом и обычно не применяется в оптических устройствах, в литературе приведены примеры использования Si для создания рамановских лазеров и лазеров, использующих квантово-каскадные эффекты. Недавно [26, 27] разработали Si-лазер, демонстрирующий непрерывное излучение при комнатной температуре на длине волны 1,3 мкм. Типичные значения плотности порогового тока для лазерных колебаний составили 1,1–2,0 кА/см², отношение мощностей в TE-поляризации и TM-поляризации во время колебаний – 8 : 1, оптическая выходная мощность 50 мкВт (при токе 60 мА) и внешняя дифференциальная квантовая эффективность 1%. Однако некоторые параметры у таких лазеров – рабочая температура, эффективность, длина волны – пока не соответствуют требованиям практического использования. В табл. 2 приведены основные характеристики лазерных структур.
Волноводно-интегрированные фотодетекторы
Фотодетекторы играют важную роль в преобразовании оптических сигналов в электронную форму и являются неотъемлемой частью интегральных фотонных схем [33]. Интеграция приемников на таких схемах обеспечивает ряд значительных преимуществ. Во-первых, интеграция способствует улучшению отношения сигнал/шум (ОСШ) за счет подавления шума. Это обусловлено тем, что различные виды шумов (дробовой шум, шум Джонсона и шум рекомбинации генерации), которые часто ограничивают ОСШ детектора, линейно зависят от активного объема детектора. Когда свет направляется в детектор через волновод (с показателем преломления сердцевины n), а не из свободного пространства, активный объем детектора и, следовательно, шум могут быть уменьшены примерно в n2 раз без потери оптического поглощения. Это имеет важное значение для детекторов в БИК-диапазоне, изготовленных из узкозонных полупроводников, страдающих от более высокого уровня собственных шумов. Во-вторых, детекторы, интегрированные в волноводы, могут обеспечить более широкую полосу пропускания, чем их аналоги в свободном пространстве. Уменьшение объема детектора также уменьшает RC-задержку и время прохождения несущей в фотоэлектрических детекторах. Наконец, детекторы, интегрированные в волноводы, избегают компромисса между оптическим поглощением и сбором носителей заряда, что часто характерно для детекторов в свободном пространстве. Это облегчает обеспечение высокой квантовой эффективности без ущерба для эффективности сбора носителей заряда и временных ограничений переноса заряда. Таким образом, детекторы со встроенным волноводом предлагают возможность избежать этого компромисса, поскольку оптический путь и путь сбора носителей ортогональны, в то время как в детекторах в свободном пространстве эти пути часто совпадают.
В БИК-области спектра были продемонстрированы четыре класса детекторов, интегрированных в волновод, где активный материал детектора включает (1) гибридные узкозонные полупроводники, (2) монолитно нанесенные или выращенные узкозонные полупроводники, (3) узкозонные полупроводники или полуметаллы Ван-дер-Ваальса, или (4) ионно-имплантированный Si с намеренно введенными примесями. В табл. 3 сравниваются встроенные в волноводы детекторы БИК-диапазона, основанные на последней технологии.
С 1950‑х годов проводятся активные исследования, направленные на увеличение чувствительности Si в ИК-области спектра. Одним из методов является создание глубоких примесей, акцепторных или донорных уровней которых находятся близко к середине запрещенной зоны Si (c энергией ионизации около 0,5 эВ), и их концентрация превышает равновесные значения растворимости в Si (более 1019 см−3; для равновесной растворимости около 1015–1016 см−3). Это приводит к получению сверхлегированного Si, материал с примечательными фотоэлектрическими свойствами на длинах волн более 1,1 мкм и поглощением около 103 см−1 на длине волны 1,55 мкм. Такой подход обладает низкими затратами и простотой процесса без необходимости использования нетрадиционных материалов. Неравновесные технологии, ионная имплантация и импульсное лазерное легирование также сыграли значительную роль в развитии Si-микроэлектроники и дали возможность достичь требуемых высоких концентраций примеси с низкой растворимостью, что было невозможно при использовании классических методов, например, термодиффузии. Однако обработка Si с использованием технологий ионной имплантации и импульсного лазерного легирования может вызывать образование радиационно-наведенных дефектов, которые увеличивают вероятность безызлучательной рекомбинации носителей заряда. Этот эффект нежелателен для фотодиодов. Поэтому после обработки требуется постобработка для восстановления кристаллической структуры материала и активации легирующих примесей. Для этого используют, например, импульсный лазерный отжиг кремния, который позволяет частично или полностью восстановить поврежденный слой, превращая аморфную фазу в квазимонокристаллическую или поликристаллическую структуру с высокой концентрацией примеси.
Криогенно охлаждаемые внешние Si- и Ge-детекторы, использующие электронные переходы из состояний мелких примесей в зону проводимости или валентную зону, в том числе детекторы с заблокированной примесной зоной, широко используют для измерений сигналов ИК-диапазона. Исследования продемонстрировали работу КНИ-детекторов (рис. 4) с имплантацией ионов Zn и S при комнатной температуре за счет использования преимуществ относительно глубоких уровней, связанных с примесями Zn и S [34]. Волнообразные детекторы КНИ с имплантатами Si+ и Ar+ также были рассмотрены. Данные детекторы полностью совместимы со стандартным КМОП-производством и позволяют избежать использования посторонних материалов в Si-платформе. Однако основным недостатком этих детекторов является их низкая чувствительность, присутствующая из-за слабой концентрации примеси или поглощения, опосредованных уровнями дефектов. Работа устройства при высоком напряжении смещения в лавинном режиме может значительно повысить его фоточувствительность, однако это сопровождается ухудшением показателей шума. В табл. 3 сравниваются характеристики встроенных в волновод детекторов БИК-диапазона, созданных на основе технологии сверхлегированного кремния.
Заключение
Следует отметить, что большинство описанных примеров ключевых оптоэлектронных устройств для оптико-электронных систем – волноводов, излучателей и детекторов излучения, перспективных для использования в ближнем ИК-диапазоне, выбраны из обширного объема литературы, опубликованной за последнее десятилетие. Анализ современного состояния технологий создания таких устройств на основе Si-платформы показывает перспективность их фотонной интеграции в БИК-диапазоне и выделение нового направления в кремниевой технологии – технологии создания фотонных элементов на кремнии. Интеграция нескольких материалов, выходящих за рамки традиционных материалов на основе кремния, является ключевым фактором прогресса в области создания элементов для БИК-диапазона. Развитие интеграции играет важную роль в преодолении технологических ограничений, а переход от оптимизации отдельных фотонных устройств к интеграции на системном уровне открывает большие возможности для фотоники в БИК-диапазоне.
Финансирование
Результаты получены в рамках выполнения госзадания № FSFN‑2024–0019.
REFERENCES
ISO 20473:2007. Optics and photonics. Spectral bands.
D. X. Xu, J. H. Schmid, G. T. Reed, G. Z. Mashanovich, D. J. Thomson, M. Nedeljkovic, X. Chen, D. V. Thourhout, S. Keyvaninia, S. K. Selvaraja. Silicon Photonic Integration Platform – Have We Found the Sweet Spot? IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2014; 20(4): 189–205. DOI: 10.1109/JSTQE.2014.2299634.
Minh A. Tran, Chong Zhang, Theodore J. Morin, Lin Chang, Sabyasachi Barik, Zhiquan Yuan, Woonghee Lee, Glenn Kim, Aditya Malik, Zeyu Zhang, Joel Guo, Heming Wang, Boqiang Shen, Lue Wu, Kerry Vahala, John E. Bowers, Hyundai Park & Tin Komljenovic. Extending the spectrum of fully integrated photonics to submicrometre wavelengths. Nature. 2022; 610: 54–60. DOI: 10.1038/s41586‑022‑05119‑9.
Saeed Khan, Jeff Chiles, Jichi Ma, Sasan Fathpour. Silicon-on-nitride waveguides for mid- and near-infrared integrated photonics. Applied Physics Letters. 2013; 102: 121104. DOI: 10.1063/1.4798557.
M. Nedeljkovic, J. S. Penadés, C. Mitchell, A. Khokhar, S. Stankovic, T. Domínguez Bucio, C. Littlejohns, F. Gardes, G. Mashanovich. Surface-Grating-Coupled Low-Loss Ge-on-Si Rib Waveguides and Multimode Interferometers. IEEE Photonics Technology Letters. 2015; 27(10): 1040–1043. DOI: 10.1109/LPT.2015.2405611.
Hongtao Lin, Lan Li, Yi Zou, Sylvain Danto, J David Musgraves, Kathleen Richardson, Stephen Kozacik, Maciej Murakowski, Dennis Prather, Pao T Lin, Vivek Singh, Anu Agarwal, Lionel C Kimerling, Juejun Hu. Demonstration of high-Q mid-infrared chalcogenide glass-on-silicon resonators. Optics Letters. 2013; 38(9): 1470–2. DOI: 10.1364/OL.38.001470.
Hongtao Lin, Zhengqian Luo, Tian Gu, Lionel C. Kimerling, Kazumi Wada, Anu Agarwal and Juejun Hu. Mid-infrared integrated photonics on silicon: a perspective. Nanophotonics. 2017; 7(2): 393–420. DOI: 10.1515/nanoph‑2017‑0085.
Kudryashov S., Nastulyavichus A., Krasin G., Khamidullin K., Boldyrev K., Kirilenko D., Yachmenev A., Ponomarev D., Komandin G., Lebedev S., Prikhod’ko D., Kovalev M. CMOS-compatible direct laser writing of sulfur-ultrahyperdoped silicon: Breakthrough pre-requisite for UV-THz optoelectronic nano/microintegration. Optics & Laser Technology. 2023; 158: 108873. DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108873.
Luke K., Okawachi Y., Lamont M. R. E., Gaeta A. L., Lipson M. Broadband mid-infrared frequency comb generation in a Si3N4 microresonator. Optics Letters. 2015; 40: 4823–6. DOI: 10.1364/OL.40.004823.
Cheng Z. Z., Chen X., Wong C. Y. Focusing subwavelength grating coupler for mid-infrared suspended membrane waveguide. Optics Letters. 2012; 37: 1217–9. DOI: 10.1364/OL.37.001217.
Kang J., Cheng Z., Zhou W. Focusing subwavelength grating coupler for mid-infrared suspended membrane germanium waveguides. Optics Letters. 2017; 42: 2094-7. DOI: 10.1364/OL.42.002094.
Griffith A. G., Lau R. K., Cardenas J. Silicon-chip mid-infrared frequency comb generation. Nature Communications. 2015; 6: 6299. DOI: 10.1038/ncomms7299.
Lin P. T., Jung H., Kimerling L. C., Agarwal A., Tang H. X. Low-loss aluminium nitride thin film for mid-infrared microphotonics. Laser & Photonics Reviews. 2014; 8: L23–8. DOI: 10.1002/lpor.201300176.
Xia Y., Qiu C., Zhang X., Gao W., Shu J., Xu Q. Suspended Si ring resonator for mid-IR application. Optics Letters. 2013; 38: 1122–4. DOI: 10.1364/OL.38.001122.
Cheng Z. Z., Chen X., Wong C. Y., Xu K., Tsang H. K. Mid-infrared suspended membrane waveguide and ring resonator on silicon-on-insulator. IEEE Photonics Journal. 2012; 4: 1510–1519. DOI: 10.1109/JPHOT.2012.2210700.
Xiao T.-H., Zhao Z., Zhou W. Mid-infrared germanium photonic crystal cavity. Optics Letters. 2017; 42: 2882–5. DOI: 10.1364/OL.42.002882.
Michael Kovalev, Alena Nastulyavichus, Ivan Podlesnykh, Nikita Stsepuro, Victoria Pryakhina, Evgeny Greshnyakov, Alexey Serdobintsev, Iliya Gritsenko, Roman Khmelnitskii and Sergey Kudryashov. Au-Hyperdoped Si Nanolayer: Laser Processing Techniques and Corresponding Material Properties. Materials. 2023; 16(12): 4439. DOI: 10.3390/ma16124439.
Jonathan P. Mailoa, Austin J. Akey, Christie B. Simmons, David Hutchinson, Jay Mathews, Joseph T. Sullivan, Daniel Recht, Mark T. Winkler, James S. Williams, Jeffrey M. Warrender, Peter D. Persans, Michael J. Aziz & Tonio Buonassisi. Room-temperature sub-band gap optoelectronic response of hyperdoped silicon. Nature Communications. 2014; 5: 3011. DOI: 10.1038/ncomms4011.
Alexander Spott, Michael Davenport, Jon Peters, Jock Bovington, Martijn J R Heck, Eric J Stanton, Igor Vurgaftman, Jerry Meyer, John Bowers. Heterogeneously integrated 2.0 μm CW hybrid silicon lasers at room temperature. Optics Letters. 2015; 40(7): 1480–1483. DOI: 10.1364/OL.40.001480.
Ruijun Wang, Stephan Sprengel, Aditya Malik, Anton Vasiliev, Gerhard Boehm, Roel Baets, Markus-Christian Amann, Gunther Roelkens. Heterogeneously integrated III–V-on-silicon 2.3x μm distributed feedback lasers based on a type-II active region. Applied Physics Letters. 2016; 109: 221111. DOI: 10.1063/1.4971350.
Ruijun Wang, Stephan Sprengel, Gerhard Boehm, Muhammad Muneeb, Roel Baets, Markus-Christian Amann, Gunther Roelkens. 2.3 µm range InP-based type-II quantum well Fabry-Perot lasers heterogeneously integrated on a silicon photonic integrated circuit. Optics Express. 24(18):21081–21089. DOI: 10.1364/OE.24.021081.
Roel Roelkens, Utsav Dave, Alban Gassenq, Nannicha Hattasan, Chen Hu, Bart Kuyken, Francois Leo, Aditya Malik, Muhammad Muneeb, Eva Ryckeboer, Dorian Sanchez, Sarah Uvin, Ruijun Wang, Zeger Hens, Roel Baets, Yosuke Shimura, Federica Gencarelli, Benjamin Vincent, Roger Loo, Joris van Campenhout, Laurent Cerutti, Jean-Baptiste Rodriguez, Eric Tournié, Xia Chen, Milos Nedeljkovic, Goran Z. Mashanovich, Li Shen, Noel Healy, Anna C. Peacock, Xiaoping Liu, Richard Osgood, William M. J. Green. Silicon-Based Photonic Integration Beyond the Telecommunication Wavelength Range. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2014; 20(4): 8201511. DOI: 10.1109/JSTQE.2013.2294460.
Nicolas Volet, Alexander Spott, Eric J. Stanton, Michael L. Davenport, Lin Chang, Jon D. Peters, Travis C. Briles, Igor Vurgaftman, Jerry R. Meyer, John E. Bowers. Semiconductor optical amplifiers at 2.0‑µm wavelength on silicon. Laser & Photonics Reviews. 2017; 11(2): 1600165. DOI: 10.1002/lpor.201600165.
Rodolfo E Camacho-Aguilera 1, Yan Cai, Neil Patel, Jonathan T Bessette, Marco Romagnoli, Lionel C Kimerling, Jurgen Michel. An electrically pumped germanium laser. Optics Express. 20(10):11316–11320. DOI: 10.1364/OE.20.011316.
Siming Chen, Wei Li, Jiang Wu, Qi Jiang, Mingchu Tang, Samuel Shutts, Stella N. Elliott, Angela Sobiesierski, Alwyn J. Seeds, Ian Ross, Peter M. Smowton & Huiyun Liu. Electrically pumped continuous-wave III–V quantum dot lasers on silicon. Nature Photonics. 2016; 10: 307–311. DOI: 10.1038/nphoton.2016.21.
T. Kawazoe, M. Ohtsu, K. Akahane & N. Yamamoto. Si homojunction structured near-infrared laser based on a phonon-assisted process. Rapid Communication. 2012; 107: 659–663. DOI: 10.1007/s00340‑012‑5053‑2.
Di Liang & John E. Bowers. Recent progress in lasers on silicon. Nature Photonics. 2010; 4: 511–517. DOI: 10.1038/nphoton.2010.167.
Rodriguez J., Cerutti L., Grech P., Tournié E. Room-temperature operation of a 2.25 μm electrically pumped laser fabricated on a silicon substrate. Applied Physics Letters. 2009; 94: 061124. DOI: 10.1063/1.3082098.
Reboul J.-R., Cerutti L., Rodriguez J.-B., Grech P., Tournié E. Continuous-wave operation above room temperature of GaSb-based laser diodes grown on Si. Applied Physics Letters. 2011; 99:1 21113. DOI: 10.1063/1.3644983.
Wirths S., Geiger R., Von Den Driesch N. Lasing in direct-bandgap GeSn alloy grown on Si. Nature Photonics. 2015; 9: 88–92. DOI: 10.1038/nphoton.2014.321.
Stange D., Wirths S., Geiger R. Optically pumped GeSn microdisk lasers on Si. ACS Photonics. 2016; 3: 1279–1285. DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00258.
Al-Kabi S., Ghetmiri S. A., Margetis J. An optically pumped 2.5 μm GeSn laser on Si operating at 110 K. Applied Physics Letters. 2016; 109: 171105. DOI: 10.1063/1.4966141.
Antoni Rogalski. Progress in focal plane array technologies. Progress in Quantum Electronics. 2012; 36(2–3): 342–473. DOI: 10.1016/j.pquantelec.2012.07.001.
Grote, Richard R., Souhan, Brian, Ophir, Noam, Driscoll, Jeffrey B., Bergman, Keren, Bahkru, Hassaram, Green, William M. J., Osgood, Richard M. Extrinsic photodiodes for integrated mid-infrared silicon photonics. Optica. 2014; 1(4): 264. DOI: 10.1364/OPTICA.1.000264.
Qiu X. D., Wang Z. J., Hou X. T. Visible-blind short-wavelength infrared photodetector with high responsivity based on hyperdoped silicon. Photonics Research. 2019; 7(3): 351–358. DOI: 10.1364/PRJ.7.000351.
Li C., Zhao J. H., Liu X. H., Ren Z. Y., Yang Y., Chen Z. G., Chen Q. D., Sun H. B. Record-Breaking-High-Responsivity Silicon Photodetector at Infrared 1.31 and 1.55 μm by Argon Doping Technique. IEEE Transactions on Electron Devices. 2023; 70(5): 2364–2369. DOI: 10.1109/TED.2023.3261823.
Li C. H., Wang X. P., Zhao J. H. Black silicon IR photodiode supersaturated with nitrogen by femtosecond laser irradiation. IEEE Sensors Journal. 2018; 18(9): 3595–3601. DOI: 10.1109/JSEN.2018.2812730.
Wang K., Yang H. G., Wang X. Y. 1064 nm photoresponse enhancement of femtosecond-laser-irradiated Si photodiodes by etching treatment. Applied Physics Express. 2018; 11: 062203. DOI: 10.7567/APEX.11.062203.
Du L. Y., Wu Z. M., Li R. Near-infrared photoresponse of femtosecond-laser processed Se-doped silicon n+-n photodiodes. Optics Letters. 2016; 41(21): 5031–5034. DOI: 10.1364/OL.41.005031.
Jia Z. X., Wu Q., Jin X. R. Highly responsive tellurium-hyperdoped black silicon photodiode with single-crystalline and uniform surface microstructure. Optics Express. 2020; 28(4): 5239–5247. DOI: 10.1364/OE.385887.
АВТОРЫ
М. С. Ковалев, к. т. н., с. н. с., ФИАН им. П. Н. Лебедев, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-5074-0718
И. М. Подлесных, стажер-исследователь, ФИАН им. П. Н. Лебедев, инженер МГТУ им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-3381-2972
К. Э. Певчих, к. т. н., руководитель технологического направления интегральной фотоники, АО «Зеленоградский нанотехнологический центр», Зеленоград, Москва, Россия
С. И. Кудряшов, д. ф.‑ м. н., в. н. с., ФИАН им. П. Н. Лебедева, в. н. с., МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0001-6657-2739
М. С. Ковалев, к. т. н., с. н. с. ФИАН.
ORCID: 0000-0001-5074-0718
И. М. Подлесных, стажер-исследователь ФИАН, инженер МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва, Россия
ORCID: 0000-0003-3381-2972
К. Э. Певчих, к.т.н., рук.направления интегральной фотоники, АО «ЗНТЦ», Зеленоград, Москва, Россия.
С. И. Кудряшов, д. ф.‑ м. н., в. н. с. ФИАН, в. н. с. МГТУ имени Н. Э. Баумана.
ORCID: 0000-0001-6657-2739
Распределение работ
в авторском коллективе
М. С. Ковалев: идея проведения исследования, обсуждение результатов, написание и написание рукописи; И. М. Подлесных: сбор материалов и обработка результатов; К. Э. Певчих: предложения по выбору направлений, написание и редактирование рукописи; С. И. Кудряшов: организация работы, обсуждение результатов и редактирование рукописи
Конфликт интересов
Авторы декларируют отсутствие конфликта интересов. Каждый член авторского коллектива дополнил рукопись в своей части работы, в обсуждении результатов приняли участие все члены авторского коллектива.
Отзывы читателей
