Монолитная оптоэлектроника GaN на кремнии

767
Источник новостей:

Исследователи из Китая и Японии продемонстрировали монолитную оптоэлектронную систему из нитрида галлия (GaN) на кремниевой (Si) подложке, состоящую из передатчика, модулятора, волновода, светоделителя, приемников и монитора. [Hao Zhang et al, Appl. Phys. Lett., v121, p181103, 2022].

Команда из Нанкинского университета почты и телекоммуникаций Китая, Университета Чжэнчжоу и Университета Нагоя в Японии стремится продвигать оптоэлектронные системы с низким энергопотреблением, используя монолитную интеграцию на кремнии для снижения затрат на материалы, обработку и упаковку.

Исследователи комментируют: «Мы предлагаем монолитные подходы «сверху вниз» для создания передатчика, модулятора, волновода, делителя луча, приемника и монитора из III-нитрида в виде единого блока на обычной кремниевой пластине GaN без использования доращивания или постростового легирования. ”

Помимо связи в видимом/ультрафиолетовом свете, команда видит возможности в установках «лаборатория на кристалле».

Материал для устройства (рис. 1) был выращен на 2-дюймовом Si(111) с темплатным слоем GaN. Буфер состоял из нескольких слоев нитрида алюминия-галлия (850 нм AlN/AlGaN) и нелегированного GaN 1030 нм.

Рис. 1: (а) Многоуровневая структура чип-устройства. (б) Обзор. (c) Поток производственного процесса.

Длина контактного слоя n-Al0,03Ga0,97N и плакирующего слоя сверхрешетки n-Al0,1Ga0,9N/GaN составляла 2450 нм и 750 нм соответственно.

P-сторона имела слой p-Al0,25Ga0,75N, блокирующий электроны (EBL) толщиной 20 нм, плакирующий слой p-Al0,1Ga0,9N толщиной 500 нм и контактный слой p-GaN толщиной 25 нм.

Внутренняя нелегированная область имела 80-нм волновод GaN, 59-нм активные слои с несколькими квантовыми ямами (MQW) и 60-нм волноводные слои GaN перед EBL. МКЯ состояла из 4-х 3-нм ям InGaN с низким содержанием индия, разделенных 10-нм барьерами из Al0,08Ga0,92N. Последний барьер перед волноводом был 7нм.

При изготовлении устройства использовались два шага травления мезы с индуктивно связанной плазмой глубиной 200 нм (p-контакт) и 1,8 мкм (вплоть до n-контакта). Ширина волновода составляла 50 мкм. Угол Y-расщепления составлял 30°. Электроды состояли из титана/платины/золота. Электроизоляцией служил диоксид кремния (SiO2). Один излучатель и два детекторных диода были отделены от концов передающих волноводов зазором более 6 мкм для лучшей электрической изоляции между различными устройствами и для улучшения обнаружения слабых сигналов.

Спектры электролюминесценции (ЭЛ) и чувствительности показали приблизительное перекрытие длины волны 14 нм с откликом на более короткой длине волны из-за стоксова сдвига. Пик электролюминесценции был около 381 нм. Пик отклика заметно смещался при различных обратных смещениях из-за квантово-ограниченного эффекта Штарка (QCSE) структуры.

Один тест (рис. 2) состоял в том, что на передающий диод (Т) последовательно подавались постоянные токи, а электромодуляция светового сигнала обеспечивалась электродами на волноводных путях, модулирующими характеристику светопоглощения полупроводниковой структуры: после передатчика (M1) и в двух ветвях Y-разветвителя (M2A/B).

Рисунок 2: (а) Конфигурация тройной модуляции на двух путях.  (б) Сигналы приемника А (RA) и увеличенные детали.  (c) Сигналы приемника B, синхронизированные с приемником A.
Рисунок 2: (а) Конфигурация тройной модуляции на двух путях. (б) Сигналы приемника А (RA) и увеличенные детали. (c) Сигналы приемника B, синхронизированные с приемником A.

Сигнал M1 представлял собой прямоугольную волну с частотой 10 Гц, размахом 6 В и смещением -3 В. Ветвь M2A также была прямоугольной, модулированной со смещением 4 В, -3 В на частоте 100 Гц, в то время как ветвь B была модулирована треугольным сигналом с теми же напряжениями размаха/смещения.

Основываясь на экспериментах с «глазковыми диаграммами» с сигналами со скоростью 50 мегабит в секунду, исследователи полагают, что такие скорости передачи данных могут быть достигнуты с помощью высокоскоростных управляющих сигналов и схем обнаружения.