Advanced GaAs, InP and GaSb Optoelectronics for Hybrid Photonic Integrated Circuits

Abstract

Tämä väitöskirja käsittelee edistyneitä optoelektronisia III-V komponentteja ja niihin liittyviä tekniikoita, joita tarvitaan piifotoniikkapiirien (PIC) kehitykseen. PIC-siruja tehdään monin tavoin ja eri materiaaleista mutta yhteistä niille on mikroelektroniikan valmistusmenetelmien soveltaminen, joka mahdollistaa eri toimintojen integroinnin yhdelle sirulle. Tekniikalla pyritään siirtämään valopohjaisia ratkaisuja yhä useampaan sovellukseen alkaen matalan energiankulutuksen ja ultrakorkeiden tiedonsiirtonopeuksien tietoliikenne-sovelluksista, 3D kuvantamiseen ja puettaviin sensoriteknologioihin. Vaikka olemassa olevat piipohjaiset PICit ovat luontaisesti korkeasuorituskykyisiä ja tarjoavat laajan skaalan aaltojohdetoimintoja, vaativat ne kuitenkin ulkoisen komponentin esimerkiksi tuottamaan tai vahvistamaan valoa. Optoelektronisia III-V puolijohde materiaaleja on laajasti käytetty tähän tarkoitukseen. III-V puolijohdekomponentteja yhdistetään piisiruihin eri tavoin, esimerkiksi hyödyntämällä monoliittista-, heterogeenistä- tai hybridi-integraatiota. Verrattuina muihin integrointitekniikoihin hybridi-integraatiotekniikat kuten kääntöliitos ja siirtopaino, tarjoavat monipuolisimmat aallonpituusominaisuudet ja joustavuuden kehitettäessä sovelluskohtaisia ratkaisuja PICeille. Tästä syystä väitöskirja tutkii näiden menetelmien kehittämistä.

Väitöskirjan keskiössä on III-V puolijohdekomponenttien, kuten laserdiodien ja optisten puolijohdevahvistimien, ja pii-eriste (SOI) alustan välisen integraatiorajapinnan kehittäminen. Menestyksekäs hybridi-integraatio vaatii integroitavien komponenttien ulottuvuuksien ja kohdistuksen äärimmäisen tarkkaa hallintaa ja tämän takia työssä esitellään useita komponettiarkkitehtuureja, joiden päämääränä on kohdistustarkkuuden parantaminen. Ensimmäinen tutkimuskohde liittyy märkäsyövytettyjen kuvioiden hyödyntämiseen korkean tarkkuuden sirunpilkonnassa. Toinen osa tutkimusta keskittyy matalahäviöisen Eulerin käyrää seuraavaan aaltojohteen optimointiin ja käyttöön III-V puolijohdesiruissa. Aaltojohdegeometria kehitettään sekä GaAs- että InP-puolijohteille. Tämä aaltojohdegeometria, jossa sekä sisään- että ulostuloportit ovat sirun samalla puolella, mahdollistaa yksinkertaistetun, matalahäviöisen ja korkeatiheyksisen integraation. Lopuksi työssä esitellään ensimmäisenä maailmassa GaSb-puolijohdetta käyttävän pitkän aallonpituuden optoelektronisten komponenttien siirtopainatus piialustalle.

Kehitetyt teknologiaosa-alueet optimoitiin kattavalla joukolla kokeellisia- ja simulaatiotyökaluja. Lopullinen teknologiavarmennus tehtiin valmistamalla toimivia III-V/SOI PICien demonstraatioita.

The thesis is generally concerned with the development of advanced III-V optoelectronic components and related technology supporting the development of photonic integrated circuits (PICs). The PIC technology refers to a broad range of emerging platforms, following in the footsteps of microelectronics integrated circuits that combine an increasing level of functionality on the same chip. It generally aims at bringing the key-enabling functionality of light-based solutions to an increasing number of applications ranging from ultra-high bit rate datacom with low power consumption, to 3D imaging and wearable sensing technology. While the established silicon-based PICs offer intrinsically good performance and a wide scale of passive waveguide functionalities, they require external sources for active properties such as light generation and gain in general. III-V optoelectronic materials have been widely used for this purpose employing various integration strategies to silicon, such as monolithic, heterogenous and hybrid integration. Amongst these, hybrid integration techniques (flip-chip and micro-transfer printing) adopted in this thesis offer the best wavelength versatility and flexibility in developing application specific PICs.

To this end, the focus of the thesis is on the development of the integration interface between III/V active devices, such as laser diodes and semiconductor optical amplifiers, and silicon-on-insulator (SOI) PIC platform. Successful hybrid integration requires rigorous control of the dimensions and alignment of the integrated components and in this respect the work introduces various device architectures focused on the improvement of the alignment precision. The first area of such advanced development tackled is related to the use of wet-etched cleaving- marks for high precision device singulation. The second development area is concerned with the optimization and deployment of low-loss Euler U-bends waveguides fabricated in both GaAs and InP optoelectronic platforms. This waveguide geometry, having the input and output ports on the same side, enables simplified integration with improved coupling and a higher density of integration. Finally, the first development of GaSb-based optoelectronic components for micro- transfer printing to silicon circuits is reported. The technology steps developed are optimized using a comprehensive set of experimental and simulation tools, including dedicated characterization, and are validated in functional III-V/SOI PICs.