Pierwsza kompletna produkcja elektrycznie pompowanych nanorurek laserów na bazie GaAs na 300-mm waflach krzemowych w skali wafla

300 mm wafla krzemowego zawierająca tysiące urządzeń z GaAs z zbliżeniem na kilka układów i obrazem skaningowego mikroskopu elektronowego układu nano-ramion z GaAs po epitaksji. / A 300 mm silicon wafer containing thousands of GaAs devices with a close-up of multiple dies and a scanning electron micrograph of a GaAs nano-ridge array after epitaxy.

300 mm krzemowy wafer zawierający tysiące urządzeń GaAs z zbliżeniem na kilka układów i obrazem skaningowym elektronowym układu nano-poręczy z GaAs po epitaksji. / A 300 mm silicon wafer containing thousands of GaAs devices with a close-up of multiple dies and a scanning electron micrograph of a GaAs nano-ridge array after epitaxy.

Imec, wiodące na świecie centrum badawczo-innowacyjne w dziedzinie nanoelektroniki i technologii cyfrowych, osiągnęło ważny kamień milowy w dziedzinie fotoniki krzemowej, udowadniając skuteczność elektrycznie zasilanych laserów wielo-wielkowych GaAs, które zostały w pełni monolitycznie wyprodukowane na 300-mm waflach krzemowych na linii prototypowej CMOS. Wyniki, opublikowane w zeszłym tygodniu w czasopiśmie Nature, pokazują laser ciągły o długości fali w zakresie światła widzialnego, z progami prądu zaledwie 5 mA i mocą wyjściową przekraczającą 1 mW, osiągane w temperaturze pokojowej, co podkreśla potencjał bezpośredniego epitaksjalnego wzrostu wysokiej jakości materiałów III-V na krzemie. Ten przełom otwiera drogę do rozwoju tanich, wydajnych urządzeń optycznych do zastosowań w komunikacji danych, uczeniu maszynowym i sztucznej inteligencji.

Brak wysoko skalowalnych, natywnych źródeł światła zintegrowanych z CMOS był poważną przeszkodą dla szerokiego wdrożenia fotoniki krzemowej. Hybrydowe lub heterogeniczne rozwiązania integracyjne, takie jak flip-chip, mikrotransfer lub bondowanie die-to-wafer, wymagają skomplikowanych procesów bondowania lub drogich podłoży III-V, które często są usuwane po procesie. Powoduje to nie tylko zwiększenie kosztów, ale także rodzi obawy dotyczące zrównoważonego rozwoju i efektywności zasobów. Dlatego bezpośredni epitaksjalny wzrost wysokiej jakości materiałów wzmacniających III-V na dużych waflach krzemowych pozostaje bardzo pożądanym celem.

Znaczna rozbieżność między parametrami sieci krystalicznej a współczynnikami rozszerzalności cieplnej materiałów III-V i Si prowadzi nieuchronnie do powstawania defektów krystalicznych, które jak wiadomo, pogarszają wydajność i niezawodność laserów. Poprzez selektywny wzrost obszarowy (SAG) w połączeniu z zatrzymywaniem aspektowym (ART) defekty w zintegrowanych na krzemie materiałach III-V są znacznie redukowane poprzez zamknięcie dyslokacji w wąskich kanałach, które zostały pokryte maską dielektryczną.

„W ostatnich latach imec prowadzi pionierskie prace w zakresie technologii Nano-Ridge, opierającej się na SAG i ART, aby hodować nanostrzały III-V o niskiej defektowości poza kanałami. Podejście to nie tylko dalej redukuje defekty, ale także umożliwia precyzyjną kontrolę wymiarów i składu materiału. Nasze zoptymalizowane struktury Nano-Ridge zazwyczaj charakteryzują się gęstością dyslokacji znacznie poniżej 10^5 cm^-2. Imec wykorzystało koncepcję technologii Nano-Ridge dla półprzewodników III-V, aby zademonstrować pierwszą pełną produkcję laserów GaAs z zasilaniem elektrycznym na standardowych waflach krzemowych o rozmiarze 300 mm, całkowicie w ramach linii prototypowej CMOS” – mówi Bernardette Kunert, dyrektor naukowy w imec.

Lasery korzystają z nanostruktur GaAs o niskiej defektowości i integrują wieloźródłowe warstwy kwantowe InGaAs (MQWs) jako region wzmacniający optycznie, osadzone w in-situ w diodzie p-i-n, pasywowana warstwą InGaP. Osiągnięcie ciągłej pracy falowej w temperaturze pokojowej z zasilaniem elektrycznym jest dużym postępem, który pokonuje wyzwania związane z zasilaniem i technikami interfejsowymi. Komponenty wykazują aktywność laserową przy długości fali około 1020 nm, z progami prądu zaledwie 5 mA, współczynnikami nachylenia do 0,5 W/A i mocami optycznymi do 1,75 mW, co wskazuje na skalowalną drogę do wydajnych, zintegrowanych z krzemem źródeł światła.

„Tanie zintegrowanie wysokiej jakości materiałów wzmacniających III-V na waflach Si o dużej średnicy jest kluczowym warunkiem dla zastosowań fotoniki krzemowej najnowszej generacji. Te imponujące wyniki laserów Nano-Ridge stanowią ważny kamień milowy w wykorzystaniu bezpośredniego epitaksjalnego wzrostu do monolitycznej integracji III-V. Projekt ten jest częścią większej, przełomowej misji w imec, mającej na celu rozwijanie procesów integracji III-V w kierunku wyższej dojrzałości technologicznej, od technik hybrydowych typu flip-chip i transferu, przez technologie heterogenicznego bondowania waferów i die, aż po bezpośredni epitaksjalny wzrost w przyszłości” – wyjaśnia Joris Van Campenhout, Fellow Silicon Photonics i dyrektor branżowego programu badawczo-rozwojowego ds. optycznych E/A w imec.