Primera fabricación completa de láseres de nano-ribera basados en GaAs con bombeo eléctrico en obleas de silicio de 300 mm a escala de oblea

Una oblea de silicio de 300 mm que contiene miles de dispositivos de GaAs con un primer plano de múltiples chips y una micrografía de barrido electrónico de una matriz de nano-ribetes de GaAs después de la epitaxia.

Una oblea de silicio de 300 mm que contiene miles de dispositivos de GaAs con un primer plano de múltiples chips y una micrografía de barrido electrónico de una matriz de nano-cumbres de GaAs después de la epitaxia.

Imec, un centro de investigación e innovación líder en el mundo en nanoelectrónica y tecnologías digitales, ha alcanzado un hito importante en la fotónica de silicio con la demostración exitosa de diodos láser de nanoridge multicapa basados en GaAs, alimentados eléctricamente, fabricados completamente de forma monolítica en obleas de silicio de 300 mm en su línea piloto de prototipado CMOS. Los resultados, que logran un láser de onda continua a temperatura ambiente con corrientes umbral de solo 5 mA y potencias de salida superiores a 1 mW, fueron publicados la semana pasada en Nature y muestran el potencial del crecimiento epitaxial directo de materiales III-V de alta calidad en silicio. Este avance allana el camino para el desarrollo de dispositivos ópticos económicos y de alto rendimiento para aplicaciones en comunicación de datos, aprendizaje automático e inteligencia artificial.

La falta de fuentes de luz nativas, escalables y integradas en CMOS, ha sido un gran obstáculo para la adopción generalizada de la fotónica de silicio. Soluciones híbridas o heterogéneas de integración, como flip-chip, microtransferencia o unión de chips a obleas, requieren procesos de unión complejos o sustratos III-V costosos que a menudo se desechan después del proceso. Esto no solo aumenta los costos, sino que también plantea preocupaciones sobre la sostenibilidad y la eficiencia en el uso de recursos. Por esta razón, el crecimiento epitaxial directo de materiales de refuerzo óptico III-V de alta calidad de forma selectiva en obleas de fotónica de silicio de gran formato sigue siendo un objetivo muy deseado.

La gran discrepancia entre los parámetros de la red cristalina y los coeficientes de expansión térmica de los materiales III-V y Si conduce inevitablemente a la formación de defectos cristalinos, que se sabe que afectan el rendimiento y la fiabilidad de los láseres. Mediante el crecimiento selectivo en áreas (SAG) en combinación con el atrapamiento de relación de aspecto (ART), se reducen significativamente los defectos en materiales III-V integrados en silicio, encapsulando dislocaciones en ranuras estrechas que han sido enmascaradas con una máscara dieléctrica.

„En los últimos años, imec ha sido pionero en la tecnología Nano-Ridge, que se basa en SAG y ART para cultivar nanoestacas de III-V con baja defectividad fuera de las ranuras. Este enfoque no solo reduce aún más los defectos, sino que también permite un control preciso de las dimensiones y la composición del material. Nuestras estructuras de nano-ridge optimizadas generalmente presentan una densidad de dislocaciones mucho menor a 10^5 cm^-2. Ahora, imec ha utilizado el concepto de tecnología Nano-Ridge para demostrar la fabricación completa de láseres basados en GaAs alimentados eléctricamente en obleas de silicio de 300 mm de tamaño estándar, todo dentro de una línea piloto de fabricación CMOS», informa Bernardette Kunert, Directora Científica de imec.

Los láseres utilizan estructuras de nano-GaAs con baja defectividad e integran fuentes de múltiples quantum wells (MQWs) de InGaAs como región de amplificación óptica, que están embebidas en una diodo p-i-n dopado in situ y pasivadas con una capa superior de InGaP. Alcanzar un funcionamiento en onda continua a temperatura ambiente con inyección eléctrica es un gran avance que supera los desafíos en el suministro de energía y la tecnología de interfaz. Los componentes muestran actividad láser en torno a 1020 nm con corrientes umbral de solo 5 mA, eficiencias de pendiente de hasta 0,5 W/A y potencias ópticas de hasta 1,75 mW, demostrando un camino escalable para fuentes de luz integradas en silicio de alta potencia.

„La integración rentable de materiales de refuerzo III-V de alta calidad en obleas de Si de gran diámetro es una condición esencial para las aplicaciones de fotónica de silicio de próxima generación. Estos impresionantes resultados de los láseres Nano-Ridge representan un avance significativo en el uso del crecimiento epitaxial directo para la integración monolítica de III-V. Este proyecto forma parte de una misión más amplia y pionera en imec para impulsar los procesos de integración de III-V hacia una mayor madurez tecnológica, desde técnicas híbridas como flip-chip y transferencia por presión en el futuro cercano, hasta tecnologías de unión heterogénea de obleas y chips, y en última instancia, el crecimiento epitaxial directo en el futuro», explica Joris Van Campenhout, Fellow en Silicio Fotónico y Director del programa de I+D sectorial para E/S ópticas en imec.