Imec verzeichnet Erfolg in der Siliziumphotonik
Imec, eines der weltweit führenden Forschungs- und Innovationszentren 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. Das geht aus einer Pressemitteilung hervor.
Die Ergebnisse, die bei Raumtemperatur einen kontinuierlichen Wellenlaser mit Schwellenströmen von nur 5 mA und Ausgangsleistungen von mehr als 1 mW erzielen, sind jetzt veröffentlicht worden und zeigten das Potenzial des direkten epitaktischen Wachstums hochwertiger III-V-Materialien auf Silizium, heißt es. Dieser Durchbruch ebne 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 sei ein großes Hindernis für die weit verbreitete Einführung der Siliziumphotonik gewesen, heißt es weiter. Hybride oder heterogene Integrationslösungen wie Flip-Chip, Mikrotransferdruck oder Die-to-Wafer-Bonding erforderten 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 demnach erheblich reduziert, indem Dislokationen in schmalen Gräben, die in eine dielektrische Maske geätzt wurden, eingeschlossen werden.
„In den vergangenen 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“, so Bernardette Kunert, Wissenschaftliche Direktorin bei imec.
„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“, ergänzt Joris Van Campenhout, Fellow Silicon Photonics und Direktor des branchenbezogenen F&E-Programms für optische E/A bei imec.
