III-V族量子级联激光器到硅的混合集成是太赫兹领域的新应用

为了实现全新的频率梳技术,维也纳工业大学光子学研究所的某研究小组采用了Finetech倒装芯片键合设备。

维也纳工业大学光子学研究所在超短高强度激光脉冲、太赫兹脉冲的产生以及纳米光子器件及其应用的实现等基础研究领域一直处于领先地位。

其中一个研究重点是量子级联激光器(QCLs)。这些是红外和太赫兹光谱范围内紧凑而有效的辐射源。由于这些激光器具有广泛的发射光谱,因此甚至可以直接产生频率梳,是进行高分辨率光谱和光学计量的理想选择。

作为太赫兹芯片频率梳研究的一部分,环形谐振器形式的太赫兹量子级联激光器首次与已建立的硅光子学相结合,为在许多新应用领域的使用奠定基础。

研究人员使用了来自Finetech的桌上型贴片机,成功做到了这一点。

"FINEPLACER® lambda为我们将III-Vz族量子级联激光器集成到各种基板上创造了全新的可能。采用高精度倒装芯片键合机,不仅可以解决超薄激光器件几何形状的电接触问题,而且可以提高激光器的性能。FINEPLACER® lambda所具备的高精度和灵活性也将在面向未来的实验环境中实现更多的芯片封装应用。"
Dipl.-Ing. Dr.rer.nat. Michael Jaidl
维也纳工业大学光子学研究所

量子级联激光器(QCLs)作为太赫兹辐射源

太赫兹辐射有着许多的潜在应用。除了光谱学,还包括传感器技术、成像和通信领域。使用气体传感器的空气监测、机场的人体扫描仪或快速6G数据通信,便是其中的几个主要应用。

然而,开发高效和紧凑的太赫兹源一直是一个巨大挑战。使用飞秒激光器是产生太赫兹辐射的传统方法之一,但在功率、带宽和效率方面存在局限性。

近年来,研究人员利用量子级联激光器(QCLs)首次实现了中红外和太赫兹(THz)范围内可靠的光频梳。

太赫兹量子激光器是一种基于III-V族半导体纳米结构的激光器,它在量子阱的子带间跃迁工作,使发射波长在1到5 THz之间可调。作为芯片级光源,它们同时提供高输出功率,光谱控制和紧凑的设计,使其成为便携式,高精度光谱应用的理想选择。

III-V族太赫兹QCL与硅光相遇

现在,维也纳工业大学光子研究所正在研究进一步提高太赫兹QCLs的性能、效率和应用表现,例如通过使用新材料、新几何形态和与其他平台的集成。

环形谐振器在这方面特别有前景。光在环形谐振腔中传播的基本物理特性导致了激光几何结构中的高光约束。由此增加的光和激光材料之间的相互作用导致频率梳的有效形成。此外,与其他几何形状相比,环形谐振器的低辐射损耗导致较低的激光阈值电流以及较低的驱动电流,这导致设备的散热减少(对于连续波高功率操作很重要)。

在这项研究中,环形太赫兹量子发光二极管的优势现在应该首次与现有的硅光子学相结合。这将使任意的太赫兹电路配置,因等离子体或低损耗硅波导,如源波导探测器系统或快速调制器设计成为可能。

在室温下工作的高效、高功率辐射源,将波导、检测器或调制器集成在同一芯片上,也将为芯片实验室系统开辟无数可能性,例如用于气体传感。

探寻高精度倒装芯片键合设备

为了构建“理想的”不间断环形谐振器,维也纳工业大学的研究人员使用了极窄的环形波导(15µm宽,直径2 mm)设计,而没有单独的焊盘与硅芯片进行电连接。
 
在环的中心是一个额外的中心柱,由主动激光介质组成,用于稳定和散热。环与柱之间的距离为150µm。

由于器件尺寸较小,用于电接触的直接引线键合技术是不可能的。光子研究所提供的晶圆如果使用wafer-to-wafer的键合方式也无法可靠地处理这些结构,因为需要将环精确对准硅芯片。

因此,那些负责人去寻找一个能胜任这项任务的倒装芯片键合机。

经过广泛的研究,负责人通过网站了解了Finetech并建立了联系。在与Finetech的产品和应用专家交流中,很快就发现FINEPLACER® lambda桌面贴片机非常适合应用的要求,因为它具有很高的精度。
 
该设备使该研究所的研究人员首次在倒装工艺中将III-V族太赫兹QCL环安全地键合到Si芯片的Ti/Au pad(10 nm/1.5 μ m)上。Ti/Au pad的凸桥和环形衬底的底面用于电接触。
 
使用FINEPLACER® lambda的外延向下组装技术可以增加环形波导中的光约束。另一个好处是由于与散热器的额外连接而改善了热量管理。两者都降低了激光的阈值电流密度,并且在连续波工作期间降低了活动区域的热量产生,这是自由运行频率梳形成的重要先决条件。

令人印象深刻的达到了研究的目的

本研究中集成在硅上的III-V族太赫兹qcl在3.8太赫兹范围内发光,并且显示出显著降低的阈值电流密度。在连续波操作中,在70 GHz频谱带宽下观察到频率梳形成。频率梳工作由8.55 GHz窄拍信号指示,信噪比高达40 dB。
 
因此,这项研究令人印象深刻地展示了硅集成太赫兹器件在实际应用中的潜力,并强调了高效和紧凑的太赫兹光源对太赫兹研究和开发的重要性。
 
太赫兹量子级联环形激光频率梳的紧凑尺寸和与硅衬底的集成使其成为便携式和现场可部署设备中有吸引力的选择,如大气传感、材料分析和医疗诊断。
 

 
该研究中采用的FINEPLACER® lambda芯片键合技术可实现不计其数的芯片集成应用。由于这种技术的模块化设计,从此以后,任何波导的几何形状都可以与由不同材料制成的光源和探测器相结合,并集成到一个紧凑的芯片实验室中。
 
对于未来,可以预期更高的集成密度和设置的复杂性以及进一步提高的精度要求。凭借亚微米芯片键合机FINEPLACER® lambda,维也纳工业大学光子学研究所已经在这方面处于非常有利的地位。
 

FINEPLACER® lambda简单直观的操作、快速的使用准备、高精度和多功能性迅速传遍了整个研究所。因此其他研究小组长期以来也一直在使用Finetech的系统进行自己的光子学研究项目。

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