Erste komplette Fertigung von elektrisch gepumpten GaAs-basierten Nano-Ridge-Lasern auf 300-mm-Siliziumwafern im Wafer-Maßstab

Ein 300 mm Siliziumwafer mit Tausenden von GaAs-Bauelementen mit einer Nahaufnahme mehrerer Dies und eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Nano-Ridge-Anordnung aus GaAs nach der Epitaxie. / 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.

Ein 300 mm Siliziumwafer mit Tausenden von GaAs-Bauelementen mit einer Nahaufnahme mehrerer Dies und eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Nano-Ridge-Anordnung aus GaAs nach der Epitaxie. / 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, ein weltweit führendes Forschungs- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, hat mit der erfolgreichen Demonstration elektrisch betriebener GaAs-basierter Multi-Quantum-Well-Nanoridge-Laserdioden, die vollständig monolithisch auf 300-mm-Siliziumwafern in seiner CMOS-Pilot-Prototyping-Linie hergestellt wurden, einen bedeutenden Meilenstein in der Siliziumphotonik erreicht. Die Ergebnisse, die bei Raumtemperatur einen kontinuierlichen Wellenlaser mit Schwellenströmen von nur 5 mA und Ausgangsleistungen von mehr als 1 mW erzielen, wurden in der vergangenen Woche in Nature veröffentlicht und zeigen das Potenzial des direkten epitaktischen Wachstums hochwertiger III-V-Materialien auf Silizium. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für die Entwicklung kostengünstiger, leistungsstarker optischer Geräte für Anwendungen in den Bereichen Datenkommunikation, maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz.

Der Mangel an hoch skalierbaren, nativen CMOS-integrierten Lichtquellen war ein großes Hindernis für die weit verbreitete Einführung der Siliziumphotonik. Hybride oder heterogene Integrationslösungen wie Flip-Chip, Mikrotransferdruck oder Die-to-Wafer-Bonding erfordern komplexe Bonding-Prozesse oder teure III-V-Substrate, die nach dem Prozess oft entsorgt werden. Dies erhöht nicht nur die Kosten, sondern wirft auch Bedenken hinsichtlich Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz auf. Aus diesem Grund ist das direkte epitaktische Wachstum hochwertiger optischer III-V-Verstärkungsmaterialien selektiv auf großformatigen Silizium-Photonik-Wafern nach wie vor ein sehr begehrtes Ziel.

Die große Diskrepanz zwischen den Kristallgitterparametern und den Wärmeausdehnungskoeffizienten von III-V- und Si-Materialien führt unweigerlich zur Bildung von Kristalldefekten, die bekanntermaßen die Leistung und Zuverlässigkeit von Lasern beeinträchtigen. Durch Selective-Area-Growth (SAG) in Kombination mit Aspect-Ratio-Trapping (ART) werden Defekte in auf Silizium integrierten III-V-Materialien erheblich reduziert, indem Dislokationen in schmalen Gräben, die in eine dielektrische Maske geätzt wurden, eingeschlossen werden.

„In den letzten Jahren hat imec Pionierarbeit im Bereich der Nano-Ridge-Technik geleistet, einer Technik, die auf SAG und ART aufbaut, um III-V-Nanostege mit geringer Defektivität außerhalb der Gräben zu züchten. Dieser Ansatz reduziert nicht nur die Defekte weiter, sondern ermöglicht auch eine präzise Kontrolle der Materialabmessungen und -zusammensetzung. Unsere optimierten Nano-Ridge-Strukturen weisen typischerweise eine Dislokationsdichte von deutlich unter 105 cm-2 auf. Imec hat nun das Konzept der Nano-Ridge-Technik für III-V-Halbleiter genutzt, um die erste vollständige Fertigung von elektrisch gepumpten GaAs-basierten Lasern auf Standard-300-mm-Siliziumwafern zu demonstrieren, und zwar vollständig innerhalb einer CMOS-Pilotfertigungslinie“, berichtet Bernardette Kunert, Wissenschaftliche Direktorin bei imec.

Die Laser nutzen die GaAs-Nanostrukturen mit geringer Defektivität und integrieren InGaAs-Mehrfachquantenquellen (MQWs) als optische Verstärkungsregion, die in eine in-situ dotierte p-i-n-Diode eingebettet und mit einer InGaP-Deckschicht passiviert sind. Die Erreichung eines kontinuierlichen Wellenbetriebs bei Raumtemperatur mit elektrischer Injektion ist ein großer Fortschritt, der die Herausforderungen bei der Stromversorgung und der Schnittstellentechnik überwindet. Die Komponenten zeigen eine Lasertätigkeit bei ~1020 nm mit Schwellenströmen von nur 5 mA, Steigungseffizienzen von bis zu 0,5 W/A und optischen Leistungen von bis zu 1,75 mW und zeigen damit einen skalierbaren Weg für leistungsstarke siliziumintegrierte Lichtquellen auf.

„Die kostengünstige Integration hochwertiger III-V-Verstärkermaterialien auf Si-Wafern mit großem Durchmesser ist eine wichtige Voraussetzung für Silizium-Photonik-Anwendungen der kommenden Generation. Diese beeindruckenden Ergebnisse der Nano-Ridge-Laser stellen einen bedeutenden Meilenstein bei der Nutzung des direkten epitaktischen Wachstums für die monolithische III-V-Integration dar. Dieses Projekt ist Teil einer größeren wegweisenden Mission bei imec, um die III-V-Integrationsprozesse in Richtung einer höheren technologischen Reife voranzutreiben, von Flip-Chip- und Transferdruck-Hybridtechniken in naher Zukunft über heterogene Wafer- und Die-Bonding-Technologien bis hin zum direkten epitaktischen Wachstum in weiterer Zukunft“, erklärt Joris Van Campenhout, Fellow Silicon Photonics und Direktor des branchenbezogenen F&E-Programms für optische E/A bei imec.