Prima produzione completa di laser a nano-ridge basati su GaAs alimentati elettricamente su wafer di silicio da 300 mm in scala wafer

Un wafer di silicio da 300 mm contenente migliaia di dispositivi GaAs con un ingrandimento di più chip e una micrografia elettronica a scansione di un array di nano-cime GaAs dopo epitassia.

Un wafer di silicio da 300 mm contenente migliaia di dispositivi GaAs con un ingrandimento di più chip e una microfotografia a scansione elettronica di un array di nano-creste di GaAs dopo epitassia.

Imec, un centro di ricerca e innovazione leader a livello mondiale nel campo della nanoelettronica e delle tecnologie digitali, ha raggiunto un traguardo significativo nella silicon photonics con la dimostrazione riuscita di laser a multi-quantum-well nanoridge basati su GaAs alimentati elettricamente, prodotti interamente in modo monolitico su wafer di silicio da 300 mm nella sua linea pilota di prototipazione CMOS. I risultati, che a temperatura ambiente ottengono un laser a onda continua con soglie di corrente di soli 5 mA e potenze di uscita superiori a 1 mW, sono stati pubblicati la settimana scorsa su Nature e mostrano il potenziale della crescita epitassiale diretta di materiali III-V di alta qualità su silicio. Questo progresso apre la strada allo sviluppo di dispositivi ottici economici e ad alte prestazioni per applicazioni nelle comunicazioni dati, nell'apprendimento automatico e nell'intelligenza artificiale.

La mancanza di sorgenti di luce native, altamente scalabili e integrate in CMOS, rappresentava un grande ostacolo alla diffusione della silicon photonics. Soluzioni ibride o eterogenee come Flip-Chip, microtransfer printing o bonding die-to-wafer richiedono processi di bonding complessi o substrati III-V costosi, spesso scartati dopo il processo. Ciò non solo aumenta i costi, ma solleva anche preoccupazioni sulla sostenibilità e sull'efficienza delle risorse. Per questo motivo, la crescita epitassiale diretta di materiali ottici III-V di alta qualità selettivamente su wafer di silicon photonics di grande formato rimane un obiettivo molto ambito.

La grande discrepanza tra i parametri della reticolo cristallino e i coefficienti di espansione termica dei materiali III-V e Si porta inevitabilmente alla formazione di difetti cristallini, noti per compromettere le prestazioni e l'affidabilità dei laser. Attraverso la crescita in aree selezionate (SAG) in combinazione con il trapping dell'aspect ratio (ART), i difetti nei materiali III-V integrati su silicio vengono significativamente ridotti, confinando le dislocazioni in scanalature strette rivestite da una maschera dielettrica.

„Negli ultimi anni, imec ha svolto un ruolo pionieristico nel campo della tecnologia Nano-Ridge, una tecnica basata su SAG e ART per coltivare nano-ridge di III-V con bassa densità di difetti al di fuori delle scanalature. Questo approccio non solo riduce ulteriormente i difetti, ma consente anche un controllo preciso delle dimensioni e della composizione del materiale. Le nostre strutture Nano-Ridge ottimizzate presentano tipicamente una densità di dislocazioni ben sotto 10^5 cm^-2. Imec ha ora utilizzato il concetto di tecnologia Nano-Ridge per dimostrare la prima produzione completa di laser a base di GaAs alimentati elettricamente su wafer di silicio da 300 mm di formato standard, interamente all’interno di una linea di produzione pilota CMOS”, riferisce Bernardette Kunert, Direttrice Scientifica di imec.

I laser sfruttano le nanostrutture di GaAs con bassa difettività e integrano sorgenti a multi-quantum-well (MQWs) InGaAs come regione di amplificazione ottica, incorporate in una diodo p-i-n drogato in situ e passivato con uno strato di copertura InGaP. Il raggiungimento di un funzionamento a onda continua a temperatura ambiente con iniezione elettrica rappresenta un grande progresso, superando le sfide legate all’alimentazione e alla tecnologia delle interfacce. I componenti mostrano attività laser a circa 1020 nm con soglie di corrente di soli 5 mA, efficienze di pendenza fino a 0,5 W/A e potenze ottiche fino a 1,75 mW, offrendo così una strada scalabile per sorgenti di luce integrate su silicio ad alte prestazioni.

„L’integrazione economica di materiali di amplificazione III-V di alta qualità su wafer di Si di grande diametro è una condizione fondamentale per le applicazioni di silicon photonics di prossima generazione. Questi risultati impressionanti dei laser Nano-Ridge rappresentano una pietra miliare nell’utilizzo della crescita epitassiale diretta per l’integrazione monolitica di III-V. Questo progetto fa parte di una più ampia missione innovativa di imec per avanzare i processi di integrazione III-V verso una maggiore maturità tecnologica, passando da tecniche ibride come Flip-Chip e transfer printing in futuro prossimo a tecnologie di bonding eterogeneo di wafer e die, fino alla crescita epitassiale diretta in tempi più lontani”, spiega Joris Van Campenhout, Fellow di Silicon Photonics e Direttore del programma di ricerca e sviluppo industriale per le interfacce ottiche presso imec.