První kompletní výroba elektricky čerpaných GaAs-bazovaných nano-řídkých laserů na 300mm křemíkových waferech ve výrobním měřítku

300mm křemíkový wafer obsahující tisíce GaAs zařízení s detailním pohledem na několik čipů a snímkem z elektronového mikroskopu nano-hrdlice GaAs po epitaxi. / 300mm silicon wafer obsahující tisíce GaAs zařízení s detailním pohledem na více čipů a skenovacím elektronovým mikrografem nano-hrdlice GaAs po epitaxi.

300mm silikonový wafer obsahující tisíce GaAs zařízení s detailním záběrem několika čipů a skenovací elektronovou mikrografií pole nano-hradel z GaAs po epitaxi.

Imec, světově přední výzkumné a inovační centrum pro nanoelektroniku a digitální technologie, dosáhlo významného milníku v silikonové fotonice úspěšnou demonstrací elektricky poháněných GaAs-bázovaných multi-quantum-well nanoridge laserů, které byly plně monoliticky vyrobeny na 300mm křemíkových waferech v jeho CMOS pilotní prototypové lince. Výsledky, které při pokojové teplotě dosahují kontinuálního vlnového laseru s prahovými proudy pouhých 5 mA a výstupními výkony přes 1 mW, byly zveřejněny minulý týden v časopise Nature a ukazují potenciál přímého epitaxního růstu vysoce kvalitních III-V materiálů na křemík. Tento průlom otevírá cestu k vývoji nákladově efektivních, výkonných optických zařízení pro aplikace v oblasti datové komunikace, strojového učení a umělé inteligence.

Chybějící vysoce škálovatelné, nativní CMOS integrované zdroje světla byly velkou překážkou pro široké zavádění silikonové fotoniky. Hybridní nebo heterogenní integrační řešení, jako je flip-chip, mikrotransferní tisk nebo die-to-wafer bonding, vyžadují složité bondingové procesy nebo drahé III-V substráty, které jsou po procesu často likvidovány. To nejen zvyšuje náklady, ale také vzbuzuje obavy o udržitelnost a efektivitu využívání zdrojů. Z tohoto důvodu je přímý epitaxní růst vysoce kvalitních optických III-V zesilovacích materiálů selektivně na velkých silikonových fotonických waferech stále velmi žádaným cílem.

Velký rozdíl mezi krystalovými mřížkovými parametry a koeficienty tepelné roztažnosti III-V a Si materiálů nevyhnutelně vede ke vzniku krystalových defektů, které jsou známé tím, že ovlivňují výkon a spolehlivost laserů. Pomocí metody Selective-Area-Growth (SAG) v kombinaci s Aspect-Ratio-Trapping (ART) jsou defekty v III-V materiálech integrovaných na křemík výrazně sníženy tím, že dislokace jsou zachyceny v úzkých štěrbinách, které jsou zakryty dielektrickou maskou.

„V posledních letech provedl imec průkopnickou práci v oblasti nano-ridge technologie, která staví na SAG a ART k výrobě III-V nano-ostrovů s nízkou defektivitou mimo štěrbiny. Tento přístup nejen dále snižuje počet defektů, ale také umožňuje přesnou kontrolu rozměrů a složení materiálu. Naše optimalizované nano-ridge struktury mají typicky dislokacní hustotu výrazně pod 10^5 cm^-2. Imec nyní využilo koncept nano-ridge technologie pro III-V polovodiče k demonstraci první plně monolitické výroby elektricky pumpovaných GaAs-bázovaných laserů na standardních 300mm křemíkových waferech, a to zcela v rámci CMOS pilotní výrobní linky,“ uvádí Bernardette Kunert, vědecká ředitelka ve společnosti imec.

Lasery využívají nano-struktury GaAs s nízkou defektivitou a integrují InGaAs vícevrstvé kvantové zdroje (MQWs) jako optickou zesilovací oblast, které jsou vloženy do in-situ dotované p-i-n diody a passivovány InGaP krycí vrstvou. Dosáhnout kontinuálního vlnového provozu při pokojové teplotě s elektrickou injekcí je velkým pokrokem, který překonává výzvy v oblasti napájení a rozhraníových technologií. Komponenty vykazují laserovou aktivitu při ~1020 nm s prahovými proudy pouhých 5 mA, účinností stoupání až 0,5 W/A a optickými výkony až 1,75 mW, což představuje škálovatelnou cestu k výkonným silikonovým integrovaným zdrojům světla.

„Nákladově efektivní integrace vysoce kvalitních III-V zesilovacích materiálů na waferech z Si s velkým průměrem je klíčovým předpokladem pro aplikace silikonové fotoniky příští generace. Tyto působivé výsledky nano-ridge laserů představují významný milník v využívání přímého epitaxního růstu pro monolitickou integraci III-V. Tento projekt je součástí větší průkopnické mise ve společnosti imec, která směřuje ke zvýšení technologické vyspělosti III-V integračních procesů, od hybridních technik flip-chip a transferního tisku v blízké budoucnosti přes heterogenní waferové a die-bonding technologie až po přímý epitaxní růst v delším horizontu,“ vysvětluje Joris Van Campenhout, Fellow Silicon Photonics a ředitel průmyslového výzkumu a vývoje v oblasti optických E/A ve společnosti imec.