京瓷(Kyocera)最近宣布在硅(Si)衬底上生长一种新型氮化镓(GaN)激光芯片，这是光电子技术持续小型化的一个重要里程碑。这款新开发的芯片是在Si上生产的最小激光源之一，这要归功于京瓷的一种新的GaN生长工艺。
除了小于100μm的激光器的原始优点外，京瓷的进步还表明了进一步将光学和电子领域联合起来的更大趋势。激光和光纤技术已经为设计人员提供了新的高速通信方法。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
在本文中，我们将研究京瓷的公告以及其他激光芯片技术，以了解进一步小型化光电子学的动机和方法。
提高硅基氮化镓的生产效率
氮化镓光电子器件的主要障碍之一是器件制造技术相对年轻。与著名的CMOS工艺相比，生长氮化镓器件的方法仍然是新的和半实验性的。在一个典型的情况下，氮化镓器件可能生长在蓝宝石或氮化镓衬底上，然后被 "剥离 "出来以隔离器件本身。
这种工艺有其固有的缺点，首先是成本。氮化镓的生长通常需要昂贵的衬底，而便宜的硅衬底由于剥离的困难而无法使用。此外，由于晶格不兼容，在蓝宝石上生长氮化镓会增加缺陷的数量。最后，剥离的物理行为往往会损坏器件，造成高度的工艺效率低下。
GaN生长过程利用开口创建GaN通道。然后横向生长GaN，从而获得更高的产量和更少的缺陷。
为了解决这些问题，京瓷研究人员开发了一种新工艺，该工艺不依赖于昂贵的材料，并且可以简化剥离过程。从硅衬底开始，京瓷形成了一个小的GaN层。然后，研究人员在带有开口的晶圆顶部沉积了一个未生长的掩模。通过这个开放，GaN可能会增长。在开口上生长的GaN仍然包括缺陷，因为掩模上不会发生生长。GaN从开口横向生长，在较便宜的衬底上产生高质量的GaN，同时将缺陷隔离到小面积。通过这个过程，由于面膜提供的隔离，剥离变得微不足道。
变得更小更快
京瓷的研究人员已经想到了新创建的光电器件的应用。高效的微光源可用于需要小而明亮照明的应用，例如自动运输。此外，新型GaN激光源可用于成像或高速通信等许多领域。
由片上系统生成的Microcomb 。每个波长分量都可以调制以创建大量信息流。图片由UCSB提供
京瓷并不是唯一一家在光电子创新方面。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（Microcomb ），能够增加光学系统的可用通信通道，同时保持单芯片解决方案的可扩展性。在这项工作的基础上，发表在Nature Photonics上的一项研究表明，单芯片通信速度高达1.84 Pbit/s，理论目标是100 Pbit/s。
未来一片光明
光电正在努力构建更小、更具可扩展性的设备，同时对整体性能的影响很小。
京瓷公司新的GaN生长过程，加上学术界展示的可扩展设计，可能标志着从电动通信系统到基于光学的通信系统大修的开始。此外，无缝集成片上光学器件的能力为设计人员提供了开发下一代集成器件时使用的另一种工具。