4 Möglichkeiten, Laser auf Silizium zu bringen

Mit Siliziumphotonik kann man viele Dinge herstellen, aber ein Laser gehört nicht dazu

Photonische integrierte Schaltkreise, die eine Sammlung optoelektronischer Funktionen auf einem einzigen Chip vereinen, gehören immer häufiger zum Alltag. Sie werden unter anderem in optischen Hochgeschwindigkeits-Transceivern verwendet, die Server-Racks in Rechenzentren verbinden, einschließlich des Racks, das für die Bereitstellung der IEEE Spectrum-Website verwendet wird, in Lidars, um selbstfahrende Autos auf Kurs zu halten, und in Spektrometern, um Chemikalien in der Atmosphäre aufzuspüren viele andere Anwendungen. Alle diese Systeme sind kostengünstiger geworden und in einigen Fällen wirtschaftlich machbar geworden, da die meisten ICs mit Silizium-Fertigungstechnologien hergestellt wurden.

Den Ingenieuren ist es gelungen, nahezu alle wichtigen optischen Funktionen, einschließlich der Grundlagen der Modulation und Erkennung, auf Silizium-Photonikchips zu integrieren, mit einer Ausnahme: der Lichtemission. Silizium selbst leistet dies nicht effizient, daher werden Halbleiter aus sogenannten III-V-Materialien, benannt nach der Stellung ihrer Bestandteile im Periodensystem, typischerweise zur Herstellung separat verpackter Komponenten zur Lichterzeugung verwendet.

Wenn Sie in Ihrem Design mit einer externen Laserdiode leben können, ist das kein Problem. Doch mehrere Faktoren haben Ingenieure in letzter Zeit dazu gedrängt, Laser mit Siliziumphotonik zu integrieren. Beispielsweise ist möglicherweise kein Platz für eine separate Lichtquelle vorhanden. Winzige Geräte, die in den Körper implantiert werden sollen, um beispielsweise den Blutzuckerspiegel zu überwachen, könnten dieses Problem haben. Oder die Kosten einer Anwendung erfordern möglicherweise eine engere Integration: Wenn Sie Hunderte oder Tausende von Lasern auf einem einzigen Siliziumwafer unterbringen können, sind die Kosten am Ende geringer und oft auch die Zuverlässigkeit höher, als wenn Sie separate Chips verbinden müssen.

Es gibt viele Möglichkeiten, diese engere Integration von Lasern und Silizium zu erreichen. Bei Imec, einem in Belgien ansässigen Forschungs- und Entwicklungszentrum für Nanoelektronik, verfolgen wir derzeit vier grundlegende Strategien: Flip-Chip-Verarbeitung, Mikrotransferdruck, Wafer-Bonding und monolithische Integration. Im Folgenden finden Sie einen Leitfaden zur Funktionsweise dieser Ansätze, zu ihrem Skalierbarkeits- und Reifegrad sowie zu ihren Vor- und Nachteilen.

Beim Flip-Chip-Bonden werden Laserchips [links] einzeln übertragen und auf einen Silizium-Photonik-Wafer gebondet.Emily Cooper

Ein unkomplizierter WegBei der direkten Integration von Lasern auf Siliziumwafern handelt es sich um eine Chip-Verpackungstechnologie namens Flip-Chip-Verarbeitung, nach der es sich auch anhört.

Die elektrischen Anschlüsse eines Chips befinden sich oben, wo die oberste Verbindungsschicht auf Metallpads endet. Die Flip-Chip-Technologie basiert auf auf diesen Pads befestigten Lötkügelchen. Der Chip wird dann umgedreht, sodass das Lot mit den entsprechenden Pads auf dem Chipgehäuse (oder in unserem Fall auf einem anderen Chip) ausgerichtet ist. Anschließend wird das Lot geschmolzen und der Chip mit dem Gehäuse verbunden.

Das Konzept ist ähnlich, aber anspruchsvoller, wenn es darum geht, einen Laserchip mit einem Silizium-Photonik-Chip zu verbinden. Kantenemittierende Laser werden vollständig auf einem Wafer verarbeitet, in einzelne Chips gewürfelt und vom Anbieter getestet. Die einzelnen Laserchips werden dann mit einer hochpräzisen Version des Flip-Chip-Verfahrens Laserchip für Laserchip auf den Ziel-Photonikwafer aus Silizium gebondet. Der schwierige Teil besteht darin, sicherzustellen, dass die Ausgabe des Lasers, der am Rand emittiert, mit der Eingabe des Silizium-Photonik-Chips übereinstimmt. Wir verwenden einen Prozess namens Stumpfkopplung, bei dem der Laser in einem vertieften Teil des Siliziums platziert wird, sodass er seitlich an die geätzte Facette eines Silizium-Photonik-Wellenleiters angrenzt.

Damit dies funktioniert, erfordert das Flip-Chip-Verfahren eine Ausrichtungsgenauigkeit im Submikrometerbereich in allen drei Dimensionen. Zu diesem Zweck wurden in den letzten Jahren spezielle Flip-Chip-Bonding-Tools entwickelt, die wir gemeinsam mit unseren Kooperationspartnern und Entwicklungspartnern zur Optimierung der Montageprozesse einsetzen. Mithilfe eines fortschrittlichen Pick-and-Place-Werkzeugs, das maschinelles Sehen nutzt, um eine präzise Ausrichtung aufrechtzuerhalten, können wir Lasergeräte mit einer Genauigkeit von mehr als 500 Nanometern in nur wenigen zehn Sekunden platzieren und verbinden.

Im Jahr 2021 haben wir außerdem einen Silizium-Photonik-Prozess im Wafer-Maßstab etabliert, der diese Leistung verbessert. Es fügt dem Siliziumchip mechanische Ausrichtungssockel und eine präziser geätzte Stoßkopplungsschnittstelle hinzu, um eine vertikale Ausrichtung von besser als einigen hundert Nanometern zu erreichen. Mit diesen Techniken haben wir bestimmte Lasergeräte auf einem 300-Millimeter-Silizium-Photonik-Wafer montiert. Wir waren erfreut zu sehen, dass bis zu 80 Prozent der 50 Milliwatt Laserlicht jedes Geräts in den Silizium-Photonik-Chip eingekoppelt wurden, an dem es befestigt war. Im schlimmsten Fall lag die Kopplung über den gesamten Wafer immer noch bei etwa 60 Prozent. Diese Ergebnisse konkurrieren mit der Art der Kopplungseffizienz, die mit aktiver Ausrichtung erreicht wird, einem zeitaufwändigeren Prozess, bei dem Licht vom Laser selbst zur Steuerung des Ausrichtungsprozesses verwendet wird.

Ein wesentlicher Vorteil des Flip-Chip-Ansatzes ist die Einfachheit und Flexibilität bei der Art der zu verbindenden Chips. Da sie mit begrenztem zusätzlichem technischem Aufwand in vorhandenen Produktionslinien hergestellt werden können, können sie jeweils von mehreren Herstellern bezogen werden. Und mit der steigenden Marktnachfrage werden Flip-Chip-Montagedienste von immer mehr Anbietern angeboten. Andererseits ist die sequentielle Natur des Prozesses – jeder Laserchip muss einzeln aufgenommen und platziert werden – ein erheblicher Nachteil. Es begrenzt den Fertigungsdurchsatz und das Potenzial für tiefgreifende Kostensenkungen auf lange Sicht. Dies ist besonders wichtig für kostensensible Anwendungen wie Konsumgüter und für Systeme, die mehrere Lasergeräte pro Chip erfordern.

Laserchips werden mithilfe einer hochpräzisen Variante des Flip-Chip-Verfahrens auf Silizium-Photonik-Chips befestigt. Optoelektronik

Der Mikrotransferdruck beseitigt einige der Ausrichtungsschwierigkeiten bei der Stoßkopplung und beschleunigt gleichzeitig den Montageprozess. Genau wie bei der Flip-Chip-Verarbeitung werden die lichtemittierenden Bauelemente auf III-V-Halbleitersubstraten gezüchtet. Aber es gibt einen großen Unterschied: Die III-V-Wafer werden nicht in einzelne Chips zerteilt. Stattdessen sind die Laser auf dem Wafer unterhöhlt, so dass sie nur durch kleine Bänder am Quellwafer befestigt sind. Anschließend werden die Geräte alle zusammen mit einem Werkzeug, das einem Tintenstempel ähnelt, aufgenommen und die Bindungen gelöst. Anschließend richtet der Stempel die Laser auf Wellenleiterstrukturen auf dem Silizium-Photonik-Wafer aus und verbindet sie dort.

Während bei der Flip-Chip-Technologie metallische Löthöcker zum Einsatz kommen, verwendet der Mikrotransferdruck einen Klebstoff oder kommt sogar mit einer reinen molekularen Bindung aus, die auf den Van-der-Waals-Kräften zwischen zwei flachen Oberflächen beruht, um den Laser an Ort und Stelle zu halten. Auch die optische Kopplung zwischen der Lichtquelle und dem Wellenleiter im Silizium-Photonik-Chip erfolgt über einen anderen Prozess. Der als evaneszente Kopplung bezeichnete Prozess platziert den Laser auf den Silizium-Wellenleiterstrukturen und das Licht „blutet“ hinein. Obwohl auf diese Weise weniger Leistung übertragen wird, erfordert die evaneszente Kopplung eine weniger präzise Ausrichtung als die Stumpfkopplung.

Durch die größere Ausrichtungstoleranz kann diese Technik Tausende von Geräten gleichzeitig übertragen. Daher sollte es grundsätzlich einen höheren Durchsatz als die Flip-Chip-Verarbeitung ermöglichen und sich ideal für Anwendungen eignen, bei denen die Integration einer großen Anzahl von III-V-Komponenten pro Flächeneinheit erforderlich ist.

Obwohl der Transferdruck ein etabliertes Verfahren zur Herstellung von microLED-Displays ist, wie sie für viele Augmented-Reality- und Virtual-Reality-Produkte benötigt werden, ist er noch nicht bereit für den Druck von Lasern oder optischen Verstärkern. Aber wir sind am Ziel.

Letztes Jahr gelang es Imec, solche Lichtquellen mithilfe des Transferdrucks auf einem Wafer anzubringen, der Silizium-Photonenwellenleiter, optische Hochgeschwindigkeitsmodulatoren und Fotodetektoren enthielt. Wir haben auch Infrarotlaser gedruckt, die über eine Wellenlänge von 45 nm abstimmbar sind, sowie Geräte mit hoher Pulsenergie, die für chipbasierte Spektroskopiesysteme geeignet sind. Diese wurden nur zu Demonstrationszwecken hergestellt, wir sehen jedoch keinen grundsätzlichen Grund dafür, dass mit diesem Ansatz keine guten Ergebnisse bei hohen Erträgen erzielt werden können. Daher gehen wir davon aus, dass die Technologie innerhalb weniger Jahre für den Einsatz in Fertigungslinien bereit sein wird.

Beim Mikrotransferdruck werden Laserchips [rote Rechtecke, links] nur schwach auf ihrem eigenen Wafer gehalten. Ein Stempel [hellgrau] nimmt mehrere Laser gleichzeitig auf und platziert sie auf dem Silizium-Photonik-Wafer. Emily Cooper

Die präzise Ausrichtung lichtemittierender Komponenten auf ihre Silizium-Photonik-Partner ist der entscheidende Schritt bei den beiden von uns besprochenen Technologien. Aber eine Technik, eine Form des sogenannten III-V-zu-Silizium-Wafer-Bondings, findet einen Weg, dies zu umgehen. Anstatt bereits konstruierte Laser (oder andere lichtemittierende Komponenten) auf einen verarbeiteten Siliziumwafer zu übertragen, werden bei diesem Schema leere Chips (oder sogar kleine Wafer) eines III-V-Halbleiters auf diesen Siliziumwafer gebondet. Anschließend bauen Sie die benötigten Lasergeräte dort auf, wo sich bereits die entsprechenden Siliziumwellenleiter befinden.

Von dem übertragenen Material sind wir nur an der dünnen Schicht aus kristallinem III-V-Material interessiert, den sogenannten Epitaxieschichten. Nach der Verbindung mit dem Siliziumwafer wird also das restliche Material entfernt. Laserdioden können in den Epitaxieschichten hergestellt werden, die auf darunter liegende Siliziumwellenleiter ausgerichtet sind, und zwar mithilfe standardmäßiger lithografischer und Wafer-Maßstabsverarbeitung. Anschließend werden alle nicht benötigten III-V-Materialien weggeätzt.

Ingenieure bei Intel haben diesen Ansatz im letzten Jahrzehnt entwickelt und die ersten damit gebauten kommerziellen Produkte, optische Transceiver, wurden 2016 auf den Markt gebracht. Die Methode ermöglicht eine Integration mit hohem Durchsatz, da sie die parallele Verarbeitung vieler Geräte gleichzeitig ermöglicht. Wie beim Transferdruck nutzt es eine evaneszente Kopplung zwischen den III-V- und Siliziummaterialien, wodurch eine effiziente optische Schnittstelle entsteht.

Ein Nachteil des III-V-zu-Siliziumwafer-Bondings besteht darin, dass erhebliche Investitionen erforderlich sind, um eine Fertigungslinie einzurichten, die die III-V-Verarbeitungsschritte mit Werkzeugen bewältigen kann, die für die Herstellung von Siliziumwafern mit einer Größe von entweder 200 mm oder 300 mm vorgesehen sind. mm Durchmesser. Solche Werkzeuge unterscheiden sich stark von denen, die in einer Laserdiodengießerei verwendet werden, wo der typische Waferdurchmesser erheblich kleiner ist.

Beim Die-to-Wafer-Bonden werden leere Stücke von III-V-Halbleitern [pink] auf einen bereits verarbeiteten Silizium-Photonik-Wafer geklebt. Über den Silizium-Wellenleitern wird das III-V-Material zu Lasern verarbeitet. Der Rest des III-V-Materials wird dann weggeätzt.Emily Cooper

Der ideale Ansatz zur Verbindung der beiden unterschiedlichen Materialien bestünde darin, III-V-Halbleiter direkt auf Silizium wachsen zu lassen, ein Ansatz, der als monolithische Integration bezeichnet wird. Dadurch würde jegliches Kleben oder Ausrichten entfallen und die Menge des verschwendeten III-V-Materials verringert werden. Damit diese Taktik praktikabel wird, müssen jedoch noch viele technologische Hürden überwunden werden. Die Forschung zu diesem Ziel wird daher bei Imec und anderswo fortgesetzt.

Das Hauptziel dieser Forschung ist die Schaffung kristalliner III-V-Materialien mit einer geringen Defektdichte. Das grundlegende Problem besteht darin, dass zwischen den Gitterabständen der Atome in Silizium und denen der Atome in den interessierenden III-V-Halbleitern eine ziemliche Diskrepanz besteht – mehr als 4 Prozent.

Aufgrund dieser Gitterfehlanpassung wird jede auf dem Silizium gewachsene III-V-Schicht verspannt. Nachdem nur wenige Nanometer III-V-Film hinzugefügt wurden, entstehen Defekte im Kristall, wodurch die aufgebaute Spannung gelöst wird. Diese „Misfit“-Defekte bilden sich entlang von Linien, die die gesamte III-V-Schicht durchdringen. Zu diesen Defekten gehören Linien offener Kristallbindungen und lokale Kristallverzerrungen, die beide die Leistung optoelektronischer Geräte erheblich beeinträchtigen.

Um zu verhindern, dass diese Defekte den Laser zerstören, müssen sie auf Orte beschränkt werden, die weit vom Gerät entfernt sind. Dazu muss im Allgemeinen eine mehrere Mikrometer dicke Schicht aus III-V-Material aufgetragen werden, die einen kräftigen Puffer zwischen den Fehlpassungsdefekten unten und einem spannungsfreien Bereich oben bildet, in dem die Lasergeräte hergestellt werden können. Forscher der University of California in Santa Barbara haben mit diesem Ansatz über hervorragende Fortschritte berichtet und hocheffiziente Quantenpunktlaser auf Galliumarsenidbasis mit vielversprechender Zuverlässigkeitslebensdauer demonstriert.

Diese Experimente wurden jedoch nur in kleinen Maßstäben durchgeführt. Eine Ausweitung der Technik auf die in der Industrie verwendeten 200- oder 300-mm-Wafer wird schwierig sein. Das Hinzufügen dicker Pufferschichten kann zu verschiedenen mechanischen Problemen führen, wie z. B. der Entstehung von Rissen im III-V-Film oder dem Durchbiegen des Wafers. Darüber hinaus ist es mit dem aktiven Bauelement auf einer so dicken Pufferschicht schwierig, Licht in einen darunter liegenden Wellenleiter im Siliziumsubstrat einzukoppeln.

Um diese Herausforderungen zu umgehen, hat Imec einen neuen Ansatz zur monolithischen Integration namens Nanoridge Engineering (NRE) eingeführt. Die Technik zielt darauf ab, die Bildung von Defekten auf engstem Raum zu erzwingen, sodass funktionierende Geräte kaum mehr als 100 nm über der Grenzfläche zum darunter liegenden Silizium konstruiert werden können.

NRE beschränkt die Defekte mithilfe eines Phänomens namens „Aspect-Ratio-Trapping“ auf kleine Bereiche. Zunächst werden schmale und tiefe Gräben innerhalb einer Schicht aus Siliziumdioxid-Isolator erzeugt. Am Boden des Grabens, wo der Isolator auf das Silizium trifft, schneidet sich eine Rille in das Silizium ein, wodurch der Hohlraum einen pfeilspitzenförmigen Querschnitt erhält. Anschließend wird eine dünne Schicht aus III-V-Kristallen innerhalb des Grabens gezüchtet, und die durch Verformung verursachten Fehlanpassungsdefekte werden effizient an den Grabenseitenwänden eingefangen, wodurch verhindert wird, dass diese Defektlinien weiter eindringen. Nachdem der Graben gefüllt ist, setzt sich das Wachstum fort und bildet über dem Graben einen größeren Nanograt aus III-V-Material. Das Material in diesem nanometergroßen Grat ist ausreichend fehlerfrei, sodass es für Lasergeräte verwendet werden kann.

Die meiste Forschung zur monolithischen Integration erfolgt auf der Ebene der Verbesserung einzelner Geräte und der Identifizierung von Gründen für deren Ausfall. Aber Imec hat bereits erhebliche Fortschritte bei der Demonstration der vollständigen Integration im Wafermaßstab mit dieser Technik gemacht und hochwertige Fotodioden auf GaAs-Basis in einer 300-mm-Silizium-Pilotlinie hergestellt. Der nächste Meilenstein wird die Demonstration eines elektrisch gepumpten Lasers sein, der auf einem ähnlichen Design wie die Fotodioden basiert. Die Nanoridge-Technik befindet sich noch in der Laborentwicklung, aber wenn sie funktioniert, wird sie zweifellos große Auswirkungen auf diese Branche haben.

Nanoridge Engineering lässt lasertaugliche Halbleiter in speziell geformten Gräben im Silizium wachsen. Die Form des Grabens fängt Defekte [Einschub] weit unterhalb des Bereichs ein, in dem der Laser konstruiert ist.imec

Jeder der hier besprochenen Ansätze wird in den nächsten Jahren sicherlich weitere Fortschritte machen. Wir gehen davon aus, dass sie irgendwann nebeneinander existieren werden, um unterschiedliche Anwendungsanforderungen und Anwendungsfälle zu bedienen.

Die relativ geringen Einrichtungskosten und die Bereitschaft der Flip-Chip-Lasermontage ermöglichen kurzfristige Produkte und sind besonders attraktiv für Anwendungen, die nur einen oder mehrere Laser pro photonischem IC erfordern, wie beispielsweise die in Rechenzentren verwendeten optischen Transceiver. Darüber hinaus macht die diesem Ansatz innewohnende Flexibilität ihn für Anwendungen attraktiv, die nicht standardmäßige Laserwellenlängen oder ungewöhnliche Photonik-Technologie erfordern.

Für Großserienanwendungen, die mehrere Laser oder Verstärker pro photonischem IC erfordern, bieten Transferdruck und Die-to-Wafer-Bonding einen höheren Fertigungsdurchsatz, geringere Kopplungsverluste und das Potenzial für tiefere Kostensenkungen. Da die Einrichtungskosten hier wesentlich höher sind, müssen die Anwendungen, für die diese Techniken geeignet sind, große Märkte haben.

Schließlich stellt die direkte III-V-Epitaxie auf Silizium, beispielsweise die NRE-Technik, die höchste Stufe der Laserintegration dar. Aber wir und andere Forscher müssen weitere Fortschritte bei der Materialqualität und der Integration im Wafermaßstab machen, um ihr Potenzial auszuschöpfen.

Die Autoren danken Katrien Mols.

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom Mai 2023.