Imec, ведущий исследовательский центр и инноватор, объявил о значительном достижении в сфере кремниевой фотоники. Организация продемонстрировала успешную работу многоквантовых наногребневых лазерных диодов на основе GaAs с электрическим приводом, созданных на кремниевых пластинах диаметром 300 мм на своей экспериментальной линии прототипирования CMOS.
Эти устройства работают непрерывно при комнатной температуре, демонстрируя пороги тока до 5 мА и выходные мощности свыше 1 мВт. Результаты были опубликованы в журнале Nature и подчеркивают потенциал прямого эпитаксиального роста высококачественных материалов III-V на кремнии.
Данный прорыв открывает возможности для создания экономичных и высокоэффективных оптических устройств, применимых в таких областях, как передача данных, машинное обучение и искусственный интеллект. Одним из главных препятствий для массового внедрения кремниевой фотоники было отсутствие масштабируемо производимых встроенных в КМОП источников света. Традиционные гибридные или гетерогенные подходы, включая флип-чипы, микротрансферную печать или штамповку, требуют сложных процессов соединения или применения дорогих подложек III-V, что приводит к увеличению затрат и проблемам с устойчивостью и эффективностью производства.
Поэтому прямой эпитаксиальный рост высококачественных материалов III-V с оптическими свойствами на больших кремниевых фотонных пластинах оставался одной из ключевых задач отрасли. Значительное различие в параметрах кристаллической решётки и коэффициентах теплового расширения между материалами III-V и Si вызывало появление дефектов несоответствия, ухудшающих характеристики и надёжность лазеров. Однако селективный рост площадей (SAG), объединённый с методом захвата с соотношением сторон (ART), существенно снижает количество дефектов в материалах III-V, интегрированных в кремний, локализируя дислокации несоответствия внутри узких углублений, вытравленных в диэлектрической маске.
«За последние годы imec стала лидером в области наноридж-инжиниринга, методики, которая основана на SAG и ART для выращивания низкодефектных наногребней III-V вне траншей. Этот метод не только ещё больше снижает количество дефектов, но также позволяет точно управлять размерами и составом материала. Наши улучшенные наногребневые структуры обычно обладают плотностью дислокаций нити значительно ниже 105105 см», — пояснила Бернардетт Кунерт, научный руководитель imec. «Теперь imec использует концепцию наногребня III-V для демонстрации первых полноразмерных электрических лазеров на основе GaAs на стандартных 300-мм кремниевых пластинах, выполненных в условиях опытной производственной линии CMOS».
Наногребневые структуры GaAs с низкой дефектностью включают в себя множественные квантовые ямы InGaAs (MQW) в качестве активной зоны оптического усиления, а также легированные in-situ p-i-n-диоды и изолирующий слой InGaP. Достижение работы при комнатной температуре и непрерывном режиме благодаря электрическому инжекции — важный шаг вперёд, позволяющий преодолеть сложности в управлении подачей тока и проектировании интерфейсов.
Это достижение прокладывает путь к созданию нового поколения мощных и энергоэффективных оптических компонентов, способных изменить ландшафт технологий передачи данных и вычислительной техники.
Устройства демонстрируют генерацию излучения на длине волны около 1020 нм с минимальным пороговым током всего 5 мА, эффективной наклоном до 0,5 Вт/А и максимальной оптической мощностью до 1,75 мВт, что демонстрирует перспективный путь для разработки высокопроизводительных источников света, интегрированных непосредственно в кремний.
«Эффективная и экономически выгодная интеграция высококачественных материалов с усилительными характеристиками III-V на крупные кремниевые пластины является критичным условием для развития кремниевой фотоники следующего поколения. Эти впечатляющие результаты, достигнутые с использованием наногориговых лазеров, знаменуют собой значительный прогресс в применении прямого эпитаксиального роста для монолитной интеграции материалов III-V. Данный проект входит в рамки более широкой инициативы imec, направленной на повышение уровня технологической зрелости процессов интеграции III-V, начиная с гибридных решений, таких как переворот чипов и трансферная печать, и переходя к гетерогенным технологиям склеивания пластин и штамповки, а в будущем — к прямому эпитаксиальному росту», — отметил Йорис Ван Кампенхаут, научный сотрудник направления Кремниевая Фотоника и директор программы исследований и разработок по оптическому вводу-выводу в imec.
Источник: https://www.newelectronics.co.uk/content/news/imec-announces-a-breakthrough-in-silicon-photonics
