4 façons de mettre des lasers sur du silicium

Vous pouvez faire beaucoup de choses avec la photonique au silicium, mais un laser n'en fait pas partie

Circuits intégrés photoniques, qui combinent un ensemble de fonctions optoélectroniques sur une seule puce, font de plus en plus partie de la vie quotidienne. Ils sont utilisés dans les émetteurs-récepteurs optiques à grande vitesse qui relient les racks de serveurs dans les centres de données, y compris celui utilisé pour fournir le site Web IEEE Spectrum, dans les lidars pour garder les voitures autonomes sur la bonne voie et dans les spectromètres pour détecter les produits chimiques dans l'atmosphère, entre autres. de nombreuses autres applications. Tous ces systèmes sont devenus moins coûteux et, dans certains cas, sont devenus économiquement réalisables, en tirant la majeure partie du circuit intégré avec des technologies de fabrication au silicium.

Les ingénieurs ont pu intégrer presque toutes les fonctions optiques importantes, y compris l'essentiel de la modulation et de la détection, sur des puces photoniques en silicium, à l'exception d'une : l'émission de lumière. Le silicium lui-même ne le fait pas efficacement, de sorte que les semi-conducteurs constitués de matériaux dits III-V, nommés d'après la place de leurs constituants dans le tableau périodique, sont généralement utilisés pour fabriquer des composants emballés séparément pour produire de la lumière.

Si vous pouvez vivre avec une diode laser externe dans votre conception, il n'y a aucun problème. Mais plusieurs facteurs ont récemment poussé les ingénieurs à intégrer les lasers à la photonique sur silicium. Il peut y avoir, par exemple, aucun espace pour une source lumineuse séparée. De minuscules dispositifs destinés à être implantés dans le corps pour surveiller, par exemple, la glycémie, pourraient être confrontés à ce problème. Ou le coût d'une application peut nécessiter une intégration plus étroite : lorsque vous pouvez installer des centaines ou des milliers de lasers sur une seule plaquette de silicium, vous vous retrouverez avec un coût inférieur et une fiabilité souvent plus élevée que lorsque vous devez connecter des puces séparées.

Il existe de nombreuses façons de réaliser cette intégration plus étroite des lasers et du silicium. Chez Imec, un centre de R&D en nanoélectronique basé en Belgique, nous poursuivons actuellement quatre stratégies de base : le traitement flip-chip, l'impression par microtransfert, le collage de plaquettes et l'intégration monolithique. Ce qui suit est un guide du fonctionnement de ces approches, de leur niveau d'évolutivité et de maturité, ainsi que de leurs avantages et inconvénients.

Dans la liaison flip-chip, les matrices laser [à gauche] sont transférées et collées individuellement sur une plaquette photonique en silicium.Emily Cooper

Une manière directed'intégrer directement des lasers sur des tranches de silicium est une technologie de conditionnement de puces appelée traitement flip-chip, ce qui est tout à fait ce à quoi cela ressemble.

Les connexions électriques d'une puce se trouvent sur le dessus, là où la couche supérieure d'interconnexions se termine sur des pastilles métalliques. La technologie Flip-chip repose sur des billes de soudure attachées à ces pastilles. La puce est ensuite retournée afin que la soudure s'aligne avec les pastilles correspondantes sur le boîtier de la puce (ou dans notre cas sur une autre puce). La soudure est ensuite fondue, liant la puce au boîtier.

Le concept est similaire mais plus exigeant lorsqu'il s'agit de lier une puce laser à une puce silicium-photonique. Les lasers à émission latérale sont entièrement traités sur une plaquette, découpés en puces individuelles et testés par le fournisseur. Les puces laser individuelles sont ensuite liées à la tranche photonique de silicium cible, en utilisant une version de haute précision du processus flip-chip, une puce laser à la fois. La partie difficile consiste à s'assurer que la sortie du laser, qui émet sur le bord, s'aligne avec l'entrée de la puce photonique en silicium. Nous utilisons un processus appelé couplage bout à bout, dans lequel le laser est placé dans une partie en retrait du silicium, de sorte qu'il est latéralement adossé à la facette gravée d'un guide d'ondes photonique en silicium.

Pour que cela fonctionne, le processus de flip-chip nécessite une précision d'alignement inférieure au micromètre dans les trois dimensions. Des outils spécialisés de liaison flip-chip ont été développés au cours des dernières années pour faire le travail, et nous et nos collaborateurs et partenaires de développement les avons utilisés pour optimiser les processus d'assemblage. En tirant parti d'un outil avancé de sélection et de placement qui utilise la vision artificielle pour maintenir un alignement précis, nous pouvons placer et coller des dispositifs laser avec des précisions supérieures à 500 nanomètres en quelques dizaines de secondes seulement.

En 2021, nous avons également mis en place un processus silicium-photonique à l'échelle d'une tranche qui améliore ces performances. Il ajoute des socles d'alignement mécanique et une interface de couplage bout à bout gravée plus précisément à la puce de silicium pour obtenir un alignement vertical supérieur à quelques centaines de nanomètres. Grâce à ces techniques, nous avons assemblé certains dispositifs laser sur une plaquette photonique en silicium de 300 millimètres. Nous avons été ravis de voir que jusqu'à 80 % des 50 milliwatts de lumière laser de chaque appareil étaient couplés à la puce photonique en silicium à laquelle il était attaché. Dans les pires cas, le couplage était encore d'environ 60 % sur l'ensemble de la tranche. Ces résultats rivalisent avec le type d'efficacité de couplage obtenu avec l'alignement actif, un processus plus long où la lumière du laser lui-même est utilisée pour diriger le processus d'alignement.

Un avantage significatif de l'approche flip-chip est la simplicité et la flexibilité dans le type de puces qui s'accouplent. Parce qu'ils peuvent être produits dans des lignes de fabrication existantes avec une ingénierie supplémentaire limitée, ils peuvent chacun provenir de plusieurs fabricants. Et, avec la demande croissante du marché, des services d'assemblage de puces retournées sont proposés par un nombre croissant de fournisseurs. D'autre part, la nature séquentielle du processus - chaque puce laser doit être saisie et placée individuellement - est un inconvénient majeur. Cela limite le débit de fabrication et le potentiel de réductions importantes des coûts à long terme. C'est particulièrement important pour les applications sensibles aux coûts, comme les produits de consommation, et pour les systèmes qui nécessitent plusieurs dispositifs laser par puce.

Les matrices laser sont fixées aux puces photoniques en silicium à l'aide d'une version de haute précision de la méthode flip-chip. Optoélectronique

L'impression par microtransfert supprime certaines des difficultés d'alignement du couplage bout à bout, tout en accélérant également le processus d'assemblage. Tout comme dans le traitement flip-chip, les dispositifs électroluminescents sont développés sur des substrats semi-conducteurs III-V. Mais il y a une grande différence : les tranches III-V ne sont pas découpées en puces individuelles. Au lieu de cela, les lasers sur la plaquette sont découpés de sorte qu'ils ne sont attachés à la plaquette source que par de petites attaches. Les appareils sont ensuite ramassés tous ensemble avec un outil qui ressemble à un tampon encreur, brisant les attaches. Le tampon aligne ensuite les lasers avec les structures de guides d'ondes sur la plaquette photonique en silicium et les y lie.

Alors que la technologie flip-chip utilise des bosses de soudure métalliques, l'impression par microtransfert utilise un adhésif ou peut même se contenter d'une simple liaison moléculaire, qui repose sur les forces de Van der Waals entre deux surfaces planes, pour maintenir le laser en place. De plus, le couplage optique entre la source de lumière et le guide d'ondes dans la puce photonique en silicium se produit par un processus différent. Appelé couplage évanescent, le processus place le laser au-dessus des structures de guide d'ondes en silicium et la lumière y "saigne". Bien que moins de puissance soit transférée de cette manière, le couplage évanescent exige un alignement moins précis que le couplage bout à bout.

Une plus grande tolérance d'alignement permet à cette technique de transférer des milliers d'appareils à la fois. Il devrait donc, en principe, permettre un débit plus élevé que le traitement flip-chip et être idéal pour les applications qui demandent l'intégration d'un grand nombre de composants III-V par unité de surface.

Bien que l'impression par transfert soit un processus établi pour fabriquer des écrans microLED, tels que ceux nécessaires à de nombreux produits de réalité augmentée et de réalité virtuelle, elle n'est pas encore prête pour l'impression de lasers ou d'amplificateurs optiques. Mais nous y arrivons.

L'année dernière, Imec a réussi à utiliser l'impression par transfert pour fixer ces sources de lumière sur une plaquette contenant des guides d'ondes silicium-photonique, des modulateurs optiques à grande vitesse et des photodétecteurs. Nous avons également imprimé des lasers infrarouges accordables sur 45 nm de longueur d'onde et des dispositifs à haute énergie d'impulsion adaptés aux systèmes de spectroscopie sur puce. Celles-ci ont été faites uniquement à des fins de démonstration, mais nous ne voyons aucune raison fondamentale pour laquelle cette approche ne peut pas obtenir de bons résultats avec des rendements élevés. Nous nous attendons donc à ce que la technologie soit prête à être déployée sur les lignes de fabrication d'ici quelques années.

Dans l'impression par microtransfert, les matrices laser [rectangles rouges, à gauche] sont faiblement maintenues en place sur leur propre plaquette. Un tampon [gris clair] capte plusieurs lasers à la fois et les place sur la plaquette photonique en silicium. Emilie Cooper

L'alignement précis des composants électroluminescents avec leurs partenaires silicium-photonique est l'étape critique des deux technologies dont nous avons discuté. Mais une technique, une forme de ce qu'on appelle la liaison III-V-tranche de silicium, trouve un moyen de contourner cela. Au lieu de transférer des lasers déjà construits (ou d'autres composants électroluminescents) sur une tranche de silicium traitée, ce schéma lie des matrices vierges (ou même de petites tranches) d'un semi-conducteur III-V à cette tranche de silicium. Vous construisez ensuite les dispositifs laser dont vous avez besoin là où se trouvent déjà les guides d'ondes en silicium correspondants.

Parmi le matériau transféré, nous ne nous intéressons qu'à cette mince couche de matériau III-V cristallin, appelée les couches épitaxiales. Ainsi, après collage avec la plaquette de silicium, le reste du matériau est retiré. Les diodes laser peuvent être fabriquées dans les couches épitaxiales alignées sur les guides d'ondes en silicium sous-jacents en utilisant un traitement lithographique et à l'échelle de la tranche standard. Tous les matériaux III-V inutiles sont ensuite gravés.

Les ingénieurs d'Intel ont développé cette approche au cours de la dernière décennie, et les premiers produits commerciaux construits avec elle, les émetteurs-récepteurs optiques, ont été lancés en 2016. La méthode permet une intégration à haut débit, car elle permet le traitement parallèle de plusieurs appareils à la fois. Comme l'impression par transfert, elle utilise un couplage évanescent entre les matériaux III-V et silicium, produisant une interface optique efficace.

L'un des inconvénients de la liaison III-V-tranche de silicium est que vous avez besoin d'un investissement substantiel pour établir une ligne de fabrication capable de gérer les étapes de traitement III-V à l'aide d'outils destinés à la fabrication de tranches de silicium, qui mesurent 200 mm ou 300 mm. mm de diamètre. De tels outils sont très différents de ceux utilisés dans une fonderie de diodes laser, où le diamètre typique de la plaquette est considérablement plus petit.

Dans la liaison matrice-plaquette, des pièces vierges de semi-conducteur III-V [rose] sont liées à une plaquette photonique en silicium déjà traitée. Le matériau III-V est transformé en lasers au-dessus des guides d'ondes en silicium. Le reste du matériau III-V est ensuite gravé. Emily Cooper

L'approche idéale pour assembler les deux matériaux différents impliqués serait de faire croître des semi-conducteurs III-V directement sur du silicium, une approche appelée intégration monolithique. Cela éliminerait tout besoin de liaison ou d'alignement, et cela réduirait la quantité de matériau III-V qui est gaspillée. Mais de nombreux obstacles technologiques devront être surmontés pour que cette tactique soit pratique. Ainsi, la recherche vers cet objectif se poursuit à Imec et ailleurs.

L'objectif principal de ces recherches est de créer des matériaux III-V cristallins à faible densité de défauts. Le problème fondamental est qu'il existe un décalage important - plus de 4% - entre l'espacement du réseau des atomes dans le silicium et celui des atomes dans les semi-conducteurs III-V d'intérêt.

En raison de ce décalage de réseau, chaque couche III-V développée sur le silicium devient tendue. Après seulement quelques nanomètres de film III-V ajoutés, des défauts dans le cristal apparaissent, libérant la contrainte accumulée. Ces défauts "inadaptés" se forment le long de lignes qui pénètrent dans toute la couche III-V. Ces défauts comprennent des lignes de liaisons cristallines ouvertes et une distorsion cristalline localisée, qui dégradent tous deux gravement les performances des dispositifs optoélectroniques.

Pour éviter que ces défauts ne tuent le laser, ils doivent être confinés à des endroits éloignés de l'appareil. Cela implique généralement de déposer une couche de matériau III-V de plusieurs micromètres d'épaisseur, formant un tampon épais entre les défauts d'inadéquation ci-dessous et une région sans contrainte au-dessus, où les dispositifs laser peuvent être fabriqués. Des chercheurs de l'Université de Californie à Santa Barbara ont signalé d'excellents progrès en utilisant cette approche, démontrant des lasers à points quantiques à base d'arséniure de gallium à haut rendement avec des durées de vie prometteuses.

Ces expériences n'ont cependant été menées qu'à petite échelle. L'extension de la technique aux plaques de 200 ou 300 mm utilisées dans l'industrie sera difficile. L'ajout de couches tampons épaisses peut entraîner divers problèmes mécaniques, tels que des fissures se développant à l'intérieur du film III-V ou le gauchissement de la plaquette. De plus, avec le dispositif actif au-dessus d'une couche tampon aussi épaisse, il est difficile de coupler la lumière à un guide d'ondes sous-jacent dans le substrat de silicium.

Pour contourner ces défis, Imec a introduit une nouvelle approche de l'intégration monolithique appelée ingénierie nanoridge, ou NRE. La technique vise à forcer les défauts à se former dans un espace si confiné que des dispositifs de travail peuvent être construits à un peu plus de 100 nm au-dessus de l'interface avec le silicium sous-jacent.

NRE confine les défauts à de petites régions en utilisant un phénomène appelé piégeage du rapport d'aspect. Il commence par créer des tranchées étroites et profondes à l'intérieur d'une couche d'isolant en dioxyde de silicium. Au fond de la tranchée, là où l'isolant rencontre le silicium, une rainure coupe le silicium, donnant au vide une section transversale en forme de pointe de flèche. Une fine couche de cristal III-V est ensuite développée dans la tranchée, et les défauts d'inadéquation induits par la contrainte sont efficacement piégés au niveau des parois latérales de la tranchée, empêchant ces lignes de défauts de pénétrer plus loin. Une fois la tranchée remplie, la croissance continue pour former une nano-arête plus grande de matériau III-V au-dessus de la tranchée. Le matériau de cette crête à l'échelle nanométrique est suffisamment exempt de défauts pour pouvoir être utilisé pour des dispositifs laser.

La plupart des recherches sur l'intégration monolithique se font au niveau de l'amélioration des dispositifs individuels et de l'identification des raisons de leur échec. Mais Imec a déjà fait des progrès substantiels en démontrant une intégration complète à l'échelle de la tranche avec cette technique, en produisant des photodiodes à base de GaAs de haute qualité dans une ligne pilote en silicium de 300 mm. La prochaine étape sera la démonstration d'un laser à pompage électrique basé sur une conception similaire aux photodiodes. L'ingénierie Nanoridge est encore en cours de développement dans le laboratoire, mais si cela fonctionne, cela aura sans aucun doute un impact important sur cette industrie.

L'ingénierie Nanoridge développe un semi-conducteur adapté au laser dans des tranchées de forme spéciale dans le silicium. La forme de la tranchée piège les défauts [en médaillon] bien en dessous de la zone où le laser est construit.imec

Au cours des prochaines années, chacune des approches discutées ici progressera sûrement davantage. Nous prévoyons qu'ils finiront par coexister pour répondre à différents besoins d'application et cas d'utilisation.

Le coût d'installation relativement modeste et la disponibilité de l'assemblage laser flip-chip permettront des produits à court terme et sont particulièrement attrayants pour les applications ne nécessitant qu'un ou deux lasers par circuit intégré photonique, tels que les émetteurs-récepteurs optiques utilisés dans les centres de données. De plus, la flexibilité inhérente à cette approche la rend attrayante pour les applications qui nécessitent des longueurs d'onde laser non standard ou une technologie photonique peu commune.

Pour les applications à volume élevé qui nécessitent plusieurs lasers ou amplificateurs par circuit intégré photonique, l'impression par transfert et la liaison matrice-plaquette offrent un débit de fabrication plus élevé, des pertes de couplage plus faibles et le potentiel de réductions de coûts plus importantes. Étant donné que les coûts d'installation sont ici considérablement plus élevés, les applications pour lesquelles ces techniques sont adaptées devront avoir de grands marchés.

Enfin, l'épitaxie directe III-V sur silicium, telle que la technique NRE, représente le niveau ultime d'intégration laser. Mais nous et d'autres chercheurs devrons faire de nouveaux progrès dans la qualité des matériaux et l'intégration à l'échelle de la plaquette pour libérer son potentiel.

Les auteurs tiennent à remercier Katrien Mols.

Cet article apparaît dans le numéro imprimé de mai 2023.