Első teljes gyártású, elektromosan hajtott GaAs-alapú nano-réteg lézerek 300 mm-es szilíciumlapkákon, lapkaváltozatban

Egy 300 mm-es szilíciumlapka, amelyen több ezer GaAs-eszköz található, közelkép több magról, valamint egy pásztázó elektronmikroszkópos felvétel egy GaAs nano-nyereg tömbről epitaxiát követően. / Egy 300 mm-es szilíciumlapka, amelyen több ezer GaAs-eszköz található, közelkép több magról, valamint egy pásztázó elektronmikroszkópos felvétel egy GaAs nano-nyereg tömbről epitaxiát követően.

Egy 300 mm-es szilíciumlapka, amelyen több ezer GaAs-eszköz található, közelkép több magról és egy pásztázó elektronmikroszkóp felvétel egy GaAs nano-nyereg tömbről az epitaxia után. / Egy 300 mm-es szilíciumlapka, amelyen több ezer GaAs-eszköz található, közelkép több magról és egy pásztázó elektronmikroszkóp felvétel egy GaAs nano-nyereg tömbről az epitaxia után.

Az imec, egy világszerte vezető kutatási és innovációs központ a nanoelektronikában és a digitális technológiákban, sikeres bemutatóval ért el jelentős mérföldkövet a szilícium fotonikában. A teljesen monolitikus módon, 300 mm-es szilíciumwafereken gyártott, GaAs-alapú több kvantumágyú nanoridge lézerdiódák elektromos működtetésével, amelyek folyamatos hullámú lézert eredményeznek csak 5 mA küszöbárammal és több mint 1 mW kimeneti teljesítménnyel, a Nature folyóiratban jelentek meg a múlt héten, és bemutatják a magas minőségű III-V anyagok közvetlen epitaxiális növesztésének potenciálját szilíciumon. Ez a áttörés megnyitja az utat az olcsó, nagy teljesítményű optikai eszközök fejlesztése előtt az adatkommunikáció, gépi tanulás és mesterséges intelligencia területein.

A magas skálázhatóságú, natív CMOS-integrált fényforrások hiánya nagy akadályt jelentett a szilícium fotonika széles körű elterjedésében. Hibrid vagy heterogén integrációs megoldások, mint például a Flip-Chip, mikrotranszfernyomtatás vagy die-to-wafer kötés, összetett kötési folyamatokat vagy drága III-V aljzatokat igényelnek, amelyeket gyakran el kell dobni a folyamat után. Ez nemcsak növeli a költségeket, hanem fenntarthatósági és erőforrás-hatékonysági aggályokat is felvet. Ezért továbbra is nagyon keresett cél a magas minőségű optikai III-V erősítőanyagok közvetlen epitaxiális növesztése nagy formátumú szilícium-fotonikai wafereken.

A III-V és Si anyagok kristálykristály paramétereinek és hőmexpandálási együtthatóinak nagy különbsége inevitábilis kristaldefektusok kialakulásához vezet, amelyek ismerten befolyásolják a lézerek teljesítményét és megbízhatóságát. A Selective-Area-Growth (SAG) és az Aspect-Ratio-Trapping (ART) kombinációjával jelentősen csökkenthetők a defektusok a szilíciumra integrált III-V anyagokban, mivel a diszlokációk szűk résekben, dielektromos maszkon keresztül zárhatók be.

„Az elmúlt években az imec úttörő munkát végzett a Nano-Ridge technológia területén, amely a SAG és ART technikákra épül, hogy alacsony defektusszintű III-V nanorögöket tenyésztsen a rések mellett. Ez a megközelítés nemcsak tovább csökkenti a defektusokat, hanem lehetővé teszi az anyagméretek és összetétel precíz kontrollját is. Optimalizált Nano-Ridge szerkezetek jellemzően jóval 105 cm-2 alatti diszlokációs sűrűséggel rendelkeznek. Az imec most a Nano-Ridge technológia koncepcióját használva demonstrálta az első teljes gyártást elektromosan pumpált GaAs-alapú lézerekből, amelyek teljesen szilíciumwafereken készültek, egy standard 300 mm-es szilíciumfotonikai gyártósoron” – mondta Bernardette Kunert, az imec tudományos igazgatója.

A lézerek a gyenge defektusszintű GaAs nanostruktúrákat használják, és InGaAs többszintű kvantorrészeket (MQW-kat) integrálnak optikai erősítő régióként, amelyeket egy in-situ diódába ágyazott p-i-n szerkezetbe helyeztek, és InGaP fedőréteggel passziváltak. A folyamatos hullámú működés elérése szobahőmérsékleten elektromos injekcióval jelentős lépés, amely áthidalja az áramellátási és interfésztechnológiai kihívásokat. A komponensek lézerteljesítményt mutatnak ~1020 nm-en, csak 5 mA küszöbárammal, akár 0,5 W/A emelkedési hatékonysággal és akár 1,75 mW optikai teljesítménnyel, így skálázható utat kínálva a nagy teljesítményű szilícium-integrált fényforrásokhoz.

„A magas minőségű III-V erősítőanyagok olcsó integrációja szilícium-waferekre, nagy átmérővel, alapvető feltétele a jövő szilícium-fotonikai alkalmazásainak. Ezek a lenyűgöző eredmények a Nano-Ridge lézerek területén jelentős mérföldkövet jelentenek a közvetlen epitaxiális növesztésen alapuló monolitikus III-V integráció kihasználásában. Ez a projekt része az imec nagyobb, irányt mutató missziójának, amely a III-V integrációs folyamatokat a magasabb technológiai érettség felé kívánja fejleszteni, a közeljövőben flip-chip és transzfernyomtatás hibrid technikáktól a heterogén wafer- és die-kötési technológiákon át a közvetlen epitaxiális növesztésig” – magyarázta Joris Van Campenhout, az imec szilícium fotonika szakértője és az optikai E/Á területén működő iparági kutatás-fejlesztési program igazgatója.