| Название: | Разработка технологии МОС-гидридной эпитаксии полупроводниковых гетероструктур лазерных источников для гетерогенной интеграции Si/A3B5 |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 11-300 - Производство оптоэлектронных приборов в т.ч. полупроводниковых лазеров, микродисплеев, фотоприемных матриц |
| Научная дисциплина: | 11-311 - Технологии (технологические маршруты) изготовления оптоэлектронных приборов в т.ч. полупроводниковых лазеров, микродисплеев, фотоприемных матриц |
| Ключевые слова: | МОС-гидридная эпитаксия, наногетероструктуры, лазерные квантово-размерные гетероструктуры, лазерные диоды, полупроводниковые лазеры, фотонные интегральные схемы, гетерогенная интеграция |
| Тип: | прикладные |
| Руководитель(и): | Пихтин,НА |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 23-91-01009 |
Предлагаемый проект входит в технологическое предложение, направленное на разработку отечественной технологии инжекционных источников лазерного излучения, совместимых с групповой технологией создания фотонных интегральных схем на основе структур кремний на изоляторе (КНИ), как базовой платформой создания фотонных интегральных схем (ФИС). Такие ФИС обеспечивают кардинальное улучшение скоростных и энергетических характеристик оптических прием-передающих модулей (ППМ) за счет интеграции источников лазерного излучения в планарную интегральную схему, в которой сформированы компактных интегральные модуляторы, элементы мультиплексирования/демультиплексирования оптических сигналов. Это позволит создать высокоскоростные ППМ (трансиверы) как для отечественного телекоммуникационного оборудования, так и для центров обработки данных.
Базовый подход для решения указанной проблемы в рамках проекта основан на использовании технологии гетерогенной интеграции структур КНИ, в которых сформированы основные функциональные элементы ФИС, и планарных структур А3В5, обеспечивающих формирование интегрированных инжекционных источников лазерного излучения. Таким образом, предлагаемый проект направлен на разработку технологии роста планарных полупроводниковых гетероструктур А3В5, как ключевого элемента инжекционных источников лазерного излучения в гетерогенно-интегрированных структурах КНИ/А3В5. Инжекционные источники лазерного излучения на базе гетерогенно-интегрированных структур КНИ/А3В5 основаны на явлении связанных сонаправленных волноводов. В случае ФИС сонаправленные волноводы формируются при гетерогенной интеграции КНИ/А3В5. В этом случае часть A3B5, содержащая область усиления из нескольких квантовых ям и волновод, располагается планарно на поверхности КНИ структуры, содержащей кремниевый волновод. Таким образом, формируется обобщенная мода, которая усиливается в инжекционной A3B5 части и частично распространяется в кремниевом волноводе. При этом должны быть обеспечены условия полного перетекания общей моды в кремниевый волновод, за счет латеральных конвертеров. Для выполнения данных требований требуется разработать планарные гетероструктуры А3В5, позволяющие реализовать указанные эффекты при гетерогенной интеграции с КНИ структурами.
Решение указанной проблемы в части создания планарных гетероструктур А3В5 для инжекционных источников лазерного излучения в гетерогенно-интегрированных структурах КНИ/А3В5 основано на следующих подходах. (1) Разработка конструкций планарных структур А3В5, обеспечивающих формирование связанного волновода между КНИ и А3В5 частью. При этом разрабатываемая конструкция должна обеспечивать следующие условия: оптическое усиление общей лазерной моды связанного волновода, эффективного перевода общей моды в моду ФИС на основе КНИ, эффективную токовую накачку активной области при гетерогенной интеграции КНИ и А3В5 части. Другой важный фактор, определяющий актуальность данных исследований, связан с тем, что конструкции планарных структур А3В5, удовлетворяющие указанным требованиям, существенно отличаются от конструкций классических лазерных гетероструктур. Это требует разработки не только оптимальных дизайнов, но также и технологии эпитаксиального роста планарных структур А3В5, которая позволит их реализовать и при этом обеспечить условия для проведения процесса гетерогенной интеграции КНИ и А3В5 структур. (2) Разработка технологии роста разработанных гетероструктур А3В5. В качестве базовой выбрана МОС-гидридная эпитаксия как наиболее технологичный способ формирования фосфор содержащих гетероструктур. Кроме этого, выбранная технология в России реализована для высокоэффектиных торцевых полупроводниковых лазеров, излучающих в спектральном диапазоне 1300-1500нм, в ведущих производственном и исследовательском центрах (АО «НИИ Полюс» и ФТИ им. А.Ф. Иоффе). Для реализации требуемого рабочего спектрального диапазона (1280-1360нм) разрабатываемые структуры А3В5 будут выполнены в системе твердых растворов Al-In-Ga-As-P/InP. Ключевые подходы для реализации технологии эпитаксиального роста планарных гетероструктур А3В5, обеспечивающие гетерогенную интеграцию с КНИ, будут основаны на разработке подходов для создания напряженно компенсированных структур и подходов, обеспечивающих пониженную шероховатость поверхности. Для оптимизации технологических режимов роста, обеспечивающих требуемую шероховатость, будут использоваться разработанные коллективом методики управления механизмом роста (step flow, step bunching, bunching), разработанные при исследовании селективной эпитаксии гетероструктур А3В5. Разрабатываемые структуры требуют реализации эффективной инжекции в активную область для гетерогенно-интегрированных конструкций КНИ/А3В5 структур. Ключевое отличие связано с необходимостью реализации слоя растекания, расположенного в области распространения лазерного излучения. Для решения данной задачи будут разрабатываться технологии легирования, обеспечивающие эффективную инжекцию и оптимальные оптические потери. (3) Разработка методик исследования и испытания разработанных планарных гетероструктур А3В5. В рамках данной части проекта будут разработаны методики, обеспечивающие исследования свойств и конструктивных особенностей разработанных А3В5 гетероструктур не только с точки зрения их структурных характеристик, но также характеристик достигаемых при гетерогенной интеграции и токовой инжекции. Для оптических исследований свойств связанных волноводов будут использоваться оригинальные методики, разработанные коллективом проекта для исследования внутренних оптических потерь в волноводах полупроводниковых лазерных структур. Не маловажная часть исследовательской работы связана с разработкой и изготовлением тестовых образцов, в частности инжекционных источников лазерного излучения на основе разработанных планарных гетероструктур. Для решения данной задачи будут использоваться разработанные технологии изготовления полупроводниковых лазеров в рамках постростовых технологических процессов, включающих процессы травления латеральных волноводов, формирования изолирующих покрытий и проводящих токовых контактов, изготовление и монтаж дискретных кристаллов. С целью оптимизации и верификации разработанной технологии и экспериментальных гетероструктур А3В5 будут разрабатываться подходы, связанные с созданием дискретных образцов гетерогенно-интегрированных структур КНИ/А3В5 и исследованием их излучательных характеристик.
При выполнении проекта должны быть получены следующие основные результаты:
разработана МОС-гидридная технология роста эпитаксиальных гетероструктур А3В5, позволяющих создавать гетерогенно-интегрированные КНИ/А3В5 структуры и инжекционные источники лазерного излучения, интегрированные с фотонными интегральными схемами на основе КНИ структур;
разработана эскизная документация на технологию роста методом МОС-гидридной эпитаксии планарной инжекционной волноводной гетероструктуры In-Ga-Al-As-P/InP для гетерогенно-интегрированных КНИ /A3B5 источников лазерного излучения;
разработаны конструкции и созданы экспериментальные образцы планарной инжекционной волноводной гетероструктуры In-Ga-Al-As-P/InP для гетерогенно-интегрированных КНИ /A3B5 источников лазерного излучения;
разработаны и созданы торцевые Фабри-Перо источники лазерного излучения на основе экспериментальных образцов планарной инжекционной волноводной гетероструктуры In-Ga-Al-As-P/InP для гетерогенно-интегрированных КНИ /A3B5 источников лазерного излучения;
продемонстрирована возможность создания инжекционных источников лазерного излучения на длину волны 1300нм, реализованных за счет формирования планарных волноводных конструкций при гетерогенной интеграции КНИ/A3B5.
Важно отметить, что все конструктивные и технологические решения будут разработаны в России впервые, при этом отсутствие подробной информации в открытых источниках позволяет говорить о новизне разрабатываемых решений также и на мировом уровне.
Экономический эффект проекта выражается в реализации возможности изготовления отечественных высокоскоростных приемо-передающих модулей (трансиверов). Ежегодное потребление приемопередающих модулей (трансиверов) в РФ составляет более 1 млн. штук. Доля высокоскоростных трансиверов составляет сегодня 5-10% процентов и вырастет до 60% в ближайшие 5 лет. Российское производство фотонных компонент высокоскоростных систем связи является необходимым условием для возможности проектирования и производства суверенных платформ управления критическими инфраструктурами РФ и гарантированного, в условиях технологической изоляции, обеспечения связности территории РФ и ее населения. В результате реализации данного проекта и технологического предложения будет достигнута максимальная экономическая эффективность на операциях сборки ФИС, при этом организация серийного производства трансиверов с применением ФИС запланирована и объявлена двумя крупнейшими производителями: Компания ООО «ФайберТрейд», г. Новосибирск, и ООО «НЕОРОС», г. Москва.
