Imec heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om piepkleine kleine lasers direct op standaard siliciumwafers te maken, wat goedkopere en betere optische technologie mogelijk maakt.
Imec is erin geslaagd volledige wafers te fabriceren van elektrisch aangedreven GaAs-nanoridgelasers op 300 mm siliciumwafers. In mensentermen: Imec heeft via een schaalbare techiek piepkleine lasers op een wafer gebouwd, waardoor de integratie van klassieke chips en optische technologie eenvoudiger kan worden. Deze doorbraak opent de weg naar kostenefficiënte en krachtige optische apparaten voor toepassingen zoals datacommunicatie en AI.
Doorbraak in siliciumfotonica
Onderzoekers hebben elektrisch gepompte nanoridgelasers met multi-quantum-well-structuren volledig monolithisch geproduceerd op standaard siliciumwafers. De lasers behalen een continue werking bij kamertemperatuur met drempelstromen vanaf 5 mA en een optisch vermogen van meer dan 1 mW. Dit markeert een belangrijke stap in de ontwikkeling van optische bronnen geïntegreerd in CMOS-processen.
Het groeiproces dat Imec gebruikt, vermijdt de complexiteit en hoge kosten van hybride integratietechnieken zoals flip-chip of waferbonding. Traditionele methoden vereisen vaak dure III-V-substraten, wat inefficiënt en minder duurzaam is. De aanpak van Imec met directe groei op grote siliciumwafers is in contrast een schaalbare en duurzame oplossing.
Minder defecten
De integratie van III-V-materialen op silicium wordt bemoeilijkt door verschillen in kristalstructuur en thermische uitzetting. Deze mismatch veroorzaakt defecten die de prestaties en betrouwbaarheid van lasers verminderen. Imec gebruikt selectieve groeitechnieken zoals aspect-ratio trapping (ART) en nano-ridge engineering om deze problemen aan te pakken. Deze methoden beperken defecten tot een minimum.
De GaAs-nanoridgelasers van imec bevatten InGaAs-multi-quantum-well-structuren voor optische versterking. Deze zijn geïntegreerd in een p-i-n-diode en voorzien van een beschermende InGaP-laag. De lasers werken bij een golflengte van 1020 nm en behalen een efficiëntie tot 0,5 W/A met een maximaal optisch vermogen van 1,75 mW.
Deze ontwikkeling is volgens imec een belangrijke mijlpaal voor de verdere vooruitgang van siliciumfotonica en maakt de weg vrij voor grootschalige integratie van optische technologie in CMOS-productieprocessen.