Eerste volledige productie van elektrisch aangedreven GaAs-gebaseerde Nano-Ridge-lasers op 300-mm siliciumwafers op waferformaat

Een 300 mm siliciumwafer met duizenden GaAs-apparaten, met een close-up van meerdere chips en een scanning elektronenmicroscoopopname van een GaAs-nano-ridge-array na epitaxie.

Een 300 mm siliciumwafer met duizenden GaAs-apparaten, met een close-up van meerdere chips en een scanning elektronenmicroscoopopname van een GaAs-nano-ridge-array na epitaxie.

Imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum voor nano-elektronica en digitale technologieën, heeft een belangrijke mijlpaal bereikt in de siliciumfotonica met de succesvolle demonstratie van elektrisch aangedreven GaAs-gebaseerde multi-quantum-well nanoridge lasers, die volledig monolithisch op 300-mm siliciumwafels zijn vervaardigd in zijn CMOS-pilotprototypinglijn. De resultaten, die bij kamertemperatuur een continue golf laser met drempestromen van slechts 5 mA en uitgangsvermogens van meer dan 1 mW behalen, werden vorige week gepubliceerd in Nature en tonen het potentieel van directe epitaxiale groei van hoogwaardige III-V-materialen op silicium. Deze doorbraak opent de weg voor de ontwikkeling van kosteneffectieve, krachtige optische apparaten voor toepassingen in datacommunicatie, machine learning en kunstmatige intelligentie.

Het gebrek aan hoog schaalbare, native CMOS-geïntegreerde lichtbronnen was een groot obstakel voor de brede adoptie van siliciumfotonica. Hybride of heterogene integratietechnieken zoals flip-chip, micro-transferdruk of die-to-wafebinding vereisen complexe bonding-processen of dure III-V- substrates, die na het proces vaak worden weggegooid. Dit verhoogt niet alleen de kosten, maar roept ook zorgen op over duurzaamheid en hulpbronnenefficiëntie. Om die reden blijft directe epitaxiale groei van hoogwaardige optische III-V-versterkingsmaterialen selectief op grootschalige siliciumfotonicawafels een zeer gewild doel.

De grote discrepantie tussen de kristalroeteigenschappen en de thermische uitzettingscoëfficiënten van III-V- en Si-materialen leidt onvermijdelijk tot de vorming van kristaldefecten, die bekend staan om het beïnvloeden van de prestaties en betrouwbaarheid van lasers. Door middel van Selective-Area-Growth (SAG) in combinatie met Aspect-Ratio-Trapping (ART) worden defecten in op silicium geïntegreerde III-V-materialen aanzienlijk verminderd, doordat dislocaties in smalle geulen, die in een dielectrische maskers zijn geëtst, worden ingesloten.

„In de afgelopen jaren heeft imec pionierswerk verricht op het gebied van nano-ridge-technologie, een techniek die voortbouwt op SAG en ART om III-V-nanostructuren met lage defectdichtheid buiten de geulen te groeien. Deze aanpak vermindert niet alleen de defecten verder, maar maakt ook een nauwkeurige controle van de materiaaldimensies en -samenstelling mogelijk. Onze geoptimaliseerde nano-ridge-structuren vertonen doorgaans een dislocatiedichtheid van duidelijk onder 10^5 cm-2. Imec heeft nu het concept van nano-ridge-technologie voor III-V-halfgeleiders gebruikt om de eerste volledige productie van elektrisch gepumpte GaAs-gebaseerde lasers op standaard 300-mm siliciumwafels te demonstreren, volledig binnen een CMOS-pilotproductielijn“, aldus Bernardette Kunert, wetenschappelijk directeur bij imec.

De lasers maken gebruik van de GaAs-nanostructuren met lage defectdichtheid en integreren InGaAs-meertraps (MQWs) als optische versterkingsregio, die zijn ingebed in een in-situ gedoteerde p-i-n diode en passiverend met een InGaP-afdeklaag. Het bereiken van een continue golfwerking bij kamertemperatuur met elektrische injectie is een grote vooruitgang, die de uitdagingen op het gebied van stroomvoorziening en interface-technologie overwint. De componenten vertonen laseractiviteit bij ~1020 nm met drempestromen van slechts 5 mA, steile efficiënties tot 0,5 W/A en optische vermogens tot 1,75 mW, wat een schaalbare weg wijst voor krachtige silicium-geïntegreerde lichtbronnen.

„De kosteneffectieve integratie van hoogwaardige III-V-versterkingsmaterialen op Si-wafels met grote diameter is een belangrijke voorwaarde voor toepassingen van siliciumfotonica van de volgende generatie. Deze indrukwekkende resultaten van de nano-ridge-laser vormen een belangrijke mijlpaal in het gebruik van directe epitaxiale groei voor monolithische III-V-integratie. Dit project maakt deel uit van een grotere baanbrekende missie bij imec om de III-V-integratieprocessen verder te ontwikkelen richting een hogere technologische rijpheid, van flip-chip- en transferdruk-hybride technieken in de nabije toekomst tot heterogeen wafer- en die-bondingtechnologieën en uiteindelijk directe epitaxiale groei“, legt Joris Van Campenhout uit, fellow siliciumfotonica en directeur van het branchegerichte R&D-programma voor optische E/A bij imec.