Première fabrication complète de lasers nano-ridge à base de GaAs, alimentés électriquement, sur des wafers de silicium de 300 mm à l’échelle wafer

Une galette de silicium de 300 mm contenant des milliers de dispositifs en GaAs avec un gros plan sur plusieurs puces et une micrographie électronique à balayage d'une rangée de nano-crêtes en GaAs après épitaxie.

Une galette de silicium de 300 mm contenant des milliers de dispositifs en GaAs avec un gros plan sur plusieurs puces et une micrographie électronique à balayage d'une rangée de nano-crêtes en GaAs après épitaxie.

Imec, un centre de recherche et d'innovation mondialement reconnu pour la nanoélectronique et les technologies numériques, a atteint une étape importante dans la photonique sur silicium en démontrant avec succès des diodes laser à multi-quantum wells nanométriques à base de GaAs, entièrement monolithiques, fabriquées sur des wafers de silicium de 300 mm dans sa ligne pilote de prototypage CMOS. Les résultats, publiés la semaine dernière dans Nature, montrent un laser à onde continue à température ambiante avec des courbes de seuil de seulement 5 mA et des puissances de sortie de plus de 1 mW, et illustrent le potentiel de la croissance épitaxiale directe de matériaux III-V de haute qualité sur silicium. Cette avancée ouvre la voie au développement de dispositifs optiques abordables et performants pour des applications dans la communication de données, l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle.

Le manque de sources lumineuses intégrées CMOS natives, hautement évolutives, constituait un obstacle majeur à la diffusion large de la photonique sur silicium. Les solutions d'intégration hybrides ou hétérogènes telles que le flip-chip, l'impression par transfert micro ou le bonding die-sur-wafers nécessitent des processus de bonding complexes ou des substrats III-V coûteux, souvent éliminés après le processus. Cela augmente non seulement les coûts, mais soulève également des préoccupations en matière de durabilité et d'efficacité des ressources. C'est pourquoi la croissance épitaxiale directe de matériaux III-V optiques de haute qualité, sélective sur de grands wafers de photonique en silicium, reste un objectif très recherché.

Le grand écart entre les paramètres du réseau cristallin et les coefficients de dilatation thermique des matériaux III-V et Si conduit inévitablement à la formation de défauts cristallins, qui, comme on le sait, nuisent aux performances et à la fiabilité des lasers. Grâce à la croissance sélective (SAG) en combinaison avec le piégeage par rapport d'aspect (ART), les défauts dans les matériaux III-V intégrés sur silicium sont considérablement réduits, en emprisonnant les dislocations dans des rainures étroites masquées par une couche diélectrique.

« Au cours des dernières années, imec a été un pionnier dans la technique Nano-Ridge, qui s'appuie sur la SAG et l'ART pour cultiver des nanostructures III-V à faible défaut en dehors des rainures. Cette approche réduit encore davantage les défauts et permet un contrôle précis des dimensions et de la composition du matériau. Nos structures Nano-Ridge optimisées présentent généralement une densité de dislocations bien inférieure à 10^5 cm^-2. Imec a maintenant utilisé le concept de la technique Nano-Ridge pour les semi-conducteurs III-V afin de démontrer la première fabrication complète de lasers à GaAs alimentés électriquement sur des wafers de silicium standard de 300 mm, entièrement dans une ligne pilote de fabrication CMOS », explique Bernardette Kunert, directrice scientifique chez imec.

Les lasers utilisent des nanostructures de GaAs à faible défaut et intègrent des sources multiples InGaAs (MQWs) comme région d'amplification optique, intégrées dans une diode p-i-n dopée in situ et passivée par une couche de InGaP. La réalisation d’un fonctionnement en onde continue à température ambiante avec injection électrique constitue une avancée majeure, relevant les défis liés à l’alimentation électrique et à la technologie des interfaces. Les composants présentent une activité laser à ~1020 nm avec des courbes de seuil de seulement 5 mA, des efficacités de pente allant jusqu’à 0,5 W/A, et des puissances optiques allant jusqu’à 1,75 mW, ouvrant ainsi une voie scalable pour des sources lumineuses intégrées en silicium à haute puissance.

« L'intégration économique de matériaux d'amplification III-V de haute qualité sur des wafers de silicium de grand diamètre est une condition essentielle pour les applications de photonique sur silicium de prochaine génération. Ces résultats impressionnants des lasers Nano-Ridge représentent une étape importante dans l’utilisation de la croissance épitaxiale directe pour l’intégration monolithique des matériaux III-V. Ce projet fait partie d'une mission plus large chez imec visant à faire progresser les processus d’intégration III-V vers une maturité technologique plus avancée, allant des techniques hybrides flip-chip et transfert par impression dans un avenir proche, aux technologies d’intégration hétérogène de wafers et de die, jusqu’à la croissance épitaxiale directe à plus long terme », explique Joris Van Campenhout, Fellow en photonique sur silicium et directeur du programme de R&D sectoriel pour les E/S optiques chez imec.