4 formas de poner láseres en silicio

Puedes hacer muchas cosas con la fotónica de silicio, pero un láser no es una de ellas.

circuitos integrados fotónicos, que combinan una colección de funciones optoelectrónicas en un solo chip, son una parte cada vez más común de la vida cotidiana. Se utilizan en transceptores ópticos de alta velocidad que conectan bastidores de servidores en centros de datos, incluido el que se utiliza para entregar el sitio web IEEE Spectrum, en lidars para mantener en marcha los vehículos autónomos y en espectrómetros para detectar sustancias químicas en la atmósfera, entre otras. muchas otras aplicaciones. Todos estos sistemas se han vuelto menos costosos y, en algunos casos, se han vuelto económicamente factibles al hacer la mayor parte de los circuitos integrados con tecnologías de fabricación de silicio.

Los ingenieros han podido integrar casi todas las funciones ópticas importantes, incluidas las funciones esenciales de modulación y detección, en chips fotónicos de silicio, excepto una: la emisión de luz. El silicio en sí mismo no hace eso de manera eficiente, por lo que los semiconductores hechos de los llamados materiales III-V, llamados así por el lugar de sus constituyentes en la tabla periódica, generalmente se usan para fabricar componentes empaquetados por separado para producir luz.

Si puede vivir con un diodo láser externo en su diseño, no hay problema. Pero varios factores han empujado recientemente a los ingenieros a integrar láseres con fotónica de silicio. Por ejemplo, puede no haber espacio para una fuente de luz separada. Pequeños dispositivos destinados a ser implantados en el cuerpo para monitorear, por ejemplo, los niveles de azúcar en la sangre, podrían enfrentar este problema. O el costo de una aplicación podría requerir una integración más estrecha: cuando puede colocar cientos o miles de láseres en una sola oblea de silicio, terminará con un costo menor y, a menudo, una mayor confiabilidad que cuando necesita conectar chips separados.

Hay muchas formas de lograr esta integración más estrecha de láseres y silicio. Trabajando en Imec, un centro de investigación y desarrollo de nanoelectrónica con sede en Bélgica, actualmente buscamos cuatro estrategias básicas: procesamiento flip-chip, impresión por microtransferencia, unión de obleas e integración monolítica. Lo que sigue es una guía sobre cómo funcionan estos enfoques, su nivel de escalabilidad y madurez, y sus ventajas y desventajas.

En la unión flip-chip, los troqueles láser [izquierda] se transfieren individualmente y se unen a una oblea fotónica de silicio. Emily Cooper

una forma directade integrar directamente láseres en obleas de silicio es una tecnología de empaquetado de chips llamada procesamiento flip-chip, que es muy parecido a lo que parece.

Las conexiones eléctricas de un chip están en la parte superior donde la capa superior de interconexiones termina en almohadillas de metal. La tecnología Flip-chip se basa en bolas de soldadura adheridas a esas almohadillas. Luego, el chip se voltea para que la soldadura se alinee con las almohadillas correspondientes en el paquete del chip (o en nuestro caso, en otro chip). Luego, la soldadura se derrite, uniendo el chip al paquete.

El concepto es similar pero más exigente cuando se trata de unir un chip láser a un chip fotónico de silicio. Los láseres emisores de borde se procesan completamente en una oblea, se cortan en chips individuales y el proveedor los prueba. Luego, los chips láser individuales se unen a la oblea fotónica de silicio de destino, utilizando una versión de alta precisión del proceso flip-chip, un dado láser a la vez. La parte difícil es asegurar que la salida del láser, que emite en el borde, se alinee con la entrada del chip fotónico de silicio. Usamos un proceso llamado acoplamiento a tope, donde el láser se coloca en una parte empotrada del silicio, por lo que se une lateralmente a la cara grabada de una guía de ondas fotónica de silicio.

Para que esto funcione, el proceso flip-chip requiere una precisión de alineación submicrométrica en las tres dimensiones. Durante los últimos años, se han desarrollado herramientas especializadas de unión de chips invertidos para hacer el trabajo, y nosotros y nuestros colaboradores y socios de desarrollo las hemos utilizado para optimizar los procesos de ensamblaje. Aprovechando una herramienta avanzada de selección y colocación que utiliza visión artificial para mantener una alineación precisa, podemos colocar y unir dispositivos láser con precisiones superiores a 500 nanómetros en solo unas pocas decenas de segundos.

En 2021, también establecimos un proceso de fotónica de silicio a escala de oblea que mejora este rendimiento. Agrega pedestales de alineación mecánica y una interfaz de acoplamiento a tope grabada con mayor precisión al chip de silicio para lograr una alineación vertical mejor que unos pocos cientos de nanómetros. Usando estas técnicas, ensamblamos ciertos dispositivos láser en una oblea fotónica de silicio de 300 milímetros. Nos encantó ver que hasta el 80 por ciento de los 50 milivatios de luz láser de cada dispositivo se acoplaron al chip fotónico de silicio al que estaba conectado. En los peores casos, el acoplamiento todavía era de alrededor del 60 por ciento en toda la oblea. Estos resultados compiten con el tipo de eficiencias de acoplamiento logradas con la alineación activa, un proceso que consume más tiempo en el que la luz del propio láser se utiliza para dirigir el proceso de alineación.

Una ventaja significativa del enfoque flip-chip es la simplicidad y flexibilidad en el tipo de chips que se acoplan. Debido a que pueden producirse en líneas de fabricación existentes con ingeniería adicional limitada, cada uno puede obtenerse de múltiples fabricantes. Y, con el aumento de la demanda del mercado, un número creciente de proveedores ofrece servicios de ensamblaje de flip-chip. Por otro lado, la naturaleza secuencial del proceso (cada troquel láser debe levantarse y colocarse individualmente) es un inconveniente significativo. Limita el rendimiento de fabricación y el potencial de profundas reducciones de costos a largo plazo. Eso es especialmente importante para aplicaciones sensibles al costo, como productos de consumo, y para sistemas que requieren múltiples dispositivos láser por chip.

Los troqueles láser se unen a chips fotónicos de silicio utilizando una versión de alta precisión del método flip-chip. Optoelectrónica

La impresión por microtransferencia elimina algunas de las dificultades de alineación del acoplamiento a tope, al mismo tiempo que acelera el proceso de ensamblaje. Al igual que en el procesamiento flip-chip, los dispositivos emisores de luz se cultivan en sustratos semiconductores III-V. Pero hay una gran diferencia: las obleas III-V no se cortan en chips individuales. En su lugar, los láseres de la oblea están socavados de modo que se unen a la oblea de origen solo mediante pequeñas ataduras. Luego, los dispositivos se recogen todos juntos con una herramienta que es como un sello de tinta, rompiendo las ataduras. Luego, el sello alinea los láseres con estructuras de guía de ondas en la oblea fotónica de silicio y los une allí.

Mientras que la tecnología flip-chip utiliza protuberancias de soldadura metálicas, la impresión por microtransferencia utiliza un adhesivo o incluso puede arreglárselas solo con la unión molecular, que se basa en las fuerzas de Van der Waals entre dos superficies planas, para mantener el láser en su lugar. Además, el acoplamiento óptico entre la fuente de luz y la guía de ondas en el chip fotónico de silicio ocurre a través de un proceso diferente. Llamado acoplamiento evanescente, el proceso coloca el láser encima de las estructuras de guía de ondas de silicio y la luz "sangra" en él. Aunque se transfiere menos energía de esta manera, el acoplamiento evanescente exige una alineación menos precisa que el acoplamiento a tope.

Tener una mayor tolerancia en la alineación permite que esta técnica transfiera miles de dispositivos a la vez. Por lo tanto, debería, en principio, permitir un mayor rendimiento que el procesamiento flip-chip y ser ideal para aplicaciones que solicitan la integración de un gran número de componentes III-V por unidad de área.

Aunque la impresión por transferencia es un proceso establecido para fabricar pantallas microLED, como las que se necesitan para muchos productos de realidad aumentada y realidad virtual, aún no está lista para imprimir láseres o amplificadores ópticos. Pero estamos llegando.

El año pasado, Imec logró utilizar la impresión por transferencia para unir dichas fuentes de luz a una oblea que contenía guías de ondas fotónicas de silicio, moduladores ópticos de alta velocidad y fotodetectores. También hemos impreso láseres infrarrojos ajustables a más de 45 nm de longitud de onda y dispositivos de alta energía de pulso adecuados para sistemas de espectroscopia basados ​​en chips. Estos se hicieron solo con fines de demostración, pero no vemos ninguna razón fundamental por la que este enfoque no pueda lograr buenos resultados con altos rendimientos. Por lo tanto, esperamos que la tecnología esté lista para implementarse en las líneas de fabricación dentro de unos años.

En la impresión por microtransferencia, los troqueles láser [rectángulos rojos, izquierda] se sujetan débilmente en su propia oblea. Un sello [gris claro] recoge varios láseres a la vez y los coloca en la oblea fotónica de silicio. emily cooper

La alineación precisa de los componentes emisores de luz con sus compañeros fotónicos de silicio es el paso crítico en las dos tecnologías que discutimos. Pero una técnica, una forma de lo que se llama enlace III-V-a-oblea de silicio, encuentra una forma de evitar eso. En lugar de transferir láseres ya construidos (u otros componentes emisores de luz) a una oblea de silicio procesada, este esquema une troqueles en blanco (o incluso pequeñas obleas) de un semiconductor III-V a esa oblea de silicio. A continuación, construye los dispositivos láser que necesita encima de donde ya se encuentran las guías de ondas de silicio correspondientes.

Del material transferido, solo nos interesa ese estrato delgado de material cristalino III-V, llamado capas epitaxiales. Entonces, después de unir con la oblea de silicio, se elimina el resto del material. Los diodos láser se pueden fabricar en las capas epitaxiales alineadas con las guías de ondas de silicio subyacentes mediante procesamiento litográfico estándar y a escala de obleas. A continuación, se graba cualquier material III-V innecesario.

Los ingenieros de Intel desarrollaron este enfoque en la última década y los primeros productos comerciales creados con él, los transceptores ópticos, se lanzaron en 2016. El método permite una integración de alto rendimiento, ya que permite el procesamiento paralelo de muchos dispositivos a la vez. Al igual que la impresión por transferencia, utiliza un acoplamiento evanescente entre el III-V y los materiales de silicio, lo que produce una interfaz óptica eficiente.

Una desventaja de la unión de III-V a obleas de silicio es que necesita una inversión sustancial para establecer una línea de fabricación que pueda manejar los pasos de procesamiento III-V utilizando herramientas diseñadas para fabricar obleas de silicio, que son de 200 mm o 300 mm. mm de diámetro. Estas herramientas son muy diferentes de las que se utilizan en una fundición de diodos láser, donde el diámetro típico de la oblea es considerablemente más pequeño.

En la unión de matriz a oblea, las piezas en blanco del semiconductor III-V [rosa] se unen a una oblea fotónica de silicio ya procesada. El material III-V se procesa en láseres por encima de las guías de ondas de silicio. Luego se graba el resto del material III-V.Emily Cooper

El enfoque ideal para unir los dos materiales diferentes involucrados sería hacer crecer semiconductores III-V directamente sobre silicio, un enfoque llamado integración monolítica. Esto eliminaría cualquier necesidad de unión o alineación, y reduciría la cantidad de material III-V que se desperdicia. Pero habrá que superar muchos obstáculos tecnológicos para que esta táctica sea práctica. Así que la investigación hacia este objetivo continúa en Imec y en otros lugares.

El objetivo principal de esa investigación es crear materiales cristalinos III-V con una baja densidad de defectos. El problema fundamental es que hay un gran desajuste (más del 4 por ciento) entre el espaciado de la red de átomos en el silicio y el de los átomos en los semiconductores III-V de interés.

Debido a este desajuste de la red, cada capa III-V que crece en el silicio se tensa. Después de agregar solo unos pocos nanómetros de película III-V, surgen defectos en el cristal, lo que libera la tensión acumulada. Estos defectos "inadaptados" se forman a lo largo de líneas que penetran toda la capa III-V. Estos defectos incluyen líneas de enlaces de cristal abiertos y distorsión de cristal localizada, los cuales degradan gravemente el rendimiento de los dispositivos optoelectrónicos.

Para evitar que estos defectos acaben con el láser, deben limitarse a lugares alejados del dispositivo. Hacer eso generalmente implica colocar una capa de material III-V que tiene varios micrómetros de espesor, formando un gran amortiguador entre los defectos de inadaptación debajo y una región libre de tensión arriba, donde se pueden fabricar los dispositivos láser. Investigadores de la Universidad de California, Santa Bárbara, han informado de un excelente progreso utilizando este enfoque, demostrando láseres de puntos cuánticos basados ​​en arseniuro de galio de alta eficiencia con una vida útil de confiabilidad prometedora.

Sin embargo, esos experimentos solo se han hecho a pequeña escala. Será difícil extender la técnica a las obleas de 200 o 300 mm utilizadas en la industria. La adición de capas de amortiguación gruesas puede dar lugar a varios problemas mecánicos, como el desarrollo de grietas dentro de la película III-V o el arqueamiento de la oblea. Además, con el dispositivo activo encima de una capa amortiguadora tan gruesa, acoplar la luz a una guía de ondas subyacente en el sustrato de silicio es un desafío.

Para eludir estos desafíos, Imec ha introducido un nuevo enfoque para la integración monolítica llamado ingeniería de nanoridges o NRE. La técnica tiene como objetivo forzar la formación de defectos en un espacio tan reducido que los dispositivos de trabajo pueden construirse a poco más de 100 nm por encima de la interfaz con el silicio subyacente.

NRE limita los defectos a regiones pequeñas utilizando un fenómeno llamado captura de relación de aspecto. Comienza creando zanjas estrechas y profundas dentro de una capa de aislante de dióxido de silicio. En el fondo de la zanja, donde el aislante se encuentra con el silicio, una ranura corta el silicio, dando al vacío una sección transversal en forma de punta de flecha. Luego, se cultiva una capa delgada de cristal III-V dentro de la zanja, y los defectos de desajuste inducidos por la tensión se atrapan de manera eficiente en las paredes laterales de la zanja, evitando que estas líneas de defectos penetren más. Una vez que se llena la zanja, el crecimiento continúa formando una nanocresta más grande de material III-V por encima de la zanja. El material en esa cresta a escala nanométrica está lo suficientemente libre de defectos como para que pueda usarse para dispositivos láser.

La mayor parte de la investigación sobre integración monolítica se realiza a nivel de mejora de dispositivos individuales e identificación de las razones de su falla. Pero Imec ya ha hecho un progreso sustancial al demostrar la integración completa a escala de oblea con esta técnica, produciendo fotodiodos basados ​​en GaAs de alta calidad en una línea piloto de silicio de 300 mm. El próximo hito será la demostración de un láser bombeado eléctricamente basado en un diseño similar a los fotodiodos. La ingeniería de Nanoridge todavía está en desarrollo en el laboratorio, pero si funciona, sin duda tendrá un gran impacto en esta industria.

La ingeniería de Nanoridge desarrolla semiconductores aptos para láser en trincheras de forma especial en el silicio. La forma de la zanja atrapa los defectos [recuadro] muy por debajo del área donde se construye el láser.imec

En los próximos años, cada uno de los enfoques discutidos aquí seguramente progresará más. Esperamos que eventualmente coexistan para satisfacer diferentes necesidades de aplicaciones y casos de uso.

El costo de configuración relativamente modesto y la preparación del ensamblaje láser flip-chip permitirán productos a corto plazo y es particularmente atractivo para aplicaciones que requieren solo uno o un par de láseres por IC fotónico, como los transceptores ópticos que se usan en los centros de datos. Además, la flexibilidad inherente a este enfoque lo hace atractivo para aplicaciones que requieren longitudes de onda láser no estándar o tecnología fotónica poco común.

Para aplicaciones de gran volumen que requieren múltiples láseres o amplificadores por IC fotónico, la impresión por transferencia y la unión de matriz a oblea ofrecen un mayor rendimiento de fabricación, menores pérdidas de acoplamiento y el potencial de mayores reducciones de costos. Debido a que los costos de instalación aquí son sustancialmente más altos, las aplicaciones para las cuales estas técnicas son adecuadas deberán tener grandes mercados.

Finalmente, la epitaxia directa III-V sobre silicio, como la técnica NRE, representa el último nivel de integración láser. Pero nosotros y otros investigadores tendremos que hacer más progresos en la calidad del material y la integración a escala de obleas para desbloquear su potencial.

Los autores desean agradecer a Katrien Mols.

Este artículo aparece en la edición impresa de mayo de 2023.