“世界上最小”GaN激光芯片将在硅衬底上大规模生产

京瓷最近宣布了一种在硅（Si）衬底上生长的新型氮化镓（GaN）激光芯片，这标志着光电子持续小型化的一个重要里程碑。这种新创建的芯片是在硅上生产的最小激光源之一，这要归功于京瓷公司的新GaN生长工艺。

除了小于100µm的激光的原始优点外，京瓷公司的进步表明，光学和电子领域进一步融合的趋势更大。激光和光纤技术已经为设计者提供了高速通信的新方法。未来光电子设备集成度的提高为光学和电子领域提供了不必要的灵活性和互操作性。

 

京瓷公司开发的100µm长激光器，突出了新工艺生产小型光电器件的能力。图片由京瓷提供

 

在这篇文章中，我们将与其他芯片上激光技术一起研究京瓷的声明，以了解进一步小型化光电子的动机和方法。

 

提高硅上GaN的产率

GaN光电子器件的主要障碍之一是器件制造技术相对年轻。与众所周知的CMOS工艺相比，生长GaN器件的方法仍然是新的和半实验性的。在典型的情况下，GaN器件可以生长在蓝宝石或GaN衬底上，然后“剥离”以隔离器件本身。

这个过程有其固有的缺点，首先是成本。GaN生长通常需要昂贵的衬底，而由于剥离困难，不能使用更便宜的Si衬底。此外，由于晶格不相容性，在蓝宝石上生长GaN会增加缺陷的数量。最后，剥离的物理行为通常会损坏设备，造成高度的工艺效率低下。

 

使用开口来创建GaN沟道的GaN生长工艺。然后横向生长GaN，从而允许具有更少缺陷的更高产量。图片由京瓷提供

 

为了解决这些问题，京瓷公司的研究人员开发了一种不依赖昂贵材料的新工艺，可以简化去皮过程。从硅衬底开始，京瓷公司形成了一个小的GaN层。然后，研究人员在带有开口的晶片顶部沉积了一个非生长掩模。通过这个开口，GaN可以生长。在开口上生长的GaN仍然包括缺陷，因为在掩模上没有发生生长。GaN从开口横向生长，在较便宜的衬底上产生高质量的GaN，同时将缺陷隔离到较小的区域。通过该工艺，由于掩模提供的隔离，剥离变得微不足道。

 

追求更小更快

京瓷公司的研究人员考虑到了新发明的光电器件的应用。高效的微型光源可以用于需要小而明亮照明的应用，例如自动交通。此外，新型GaN激光源可以用于成像或高速通信等许多领域。

 

由片上系统生成的微库仑。可以对每个波长分量进行调制以创建多个信息流。图片由UCSB提供

 

京瓷并不是唯一一家创新光电子的公司。2021年7月，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员开发了一种高度可扩展的激光器和微梳，能够增加光学系统的可用通信信道，同时保持单片解决方案的可扩展性。在这项工作的基础上，发表在《自然光子学》上的一项研究揭示了单芯片通信速度高达1.84 Pbit/s，理论目标为100 Pbit/s。

 

光电子的未来看起来很光明

光电子公司正在努力制造更小、更具可扩展性的设备，对整体性能几乎没有影响。

京瓷公司的新GaN生长工艺，加上学术界展示的可扩展设计，可能标志着从电力通信系统到光学通信系统的全面改革的开始。此外，在芯片上无缝包含光学设备的能力为设计师在开发下一代集成设备时提供了另一种工具。