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新型CMOS晶圆工艺制造混合激光二极管

发布:HPLSElaser    |    2017-12-08 00:01    阅读:176
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法国原子能委员会电子与信息技术实验室(CEA-Leti)研发出一种新型硅光子工艺制造分布反馈式(DFB)激光器,并结合了大规模集成电路技术。


研究人员在法国格勒诺布尔的电子和信息技术实验室的无尘室中进行混合III-V族/硅的激光制造工艺。照片来源:电子和信息技术实验室。

法国原子能委员会电子与信息技术实验室和欧洲芯片制造商意法半导体公司(STMicroelectronics)在法国格勒诺布尔的一个研究小组表示,他们已经展示了第一款采用适合大规模生产的晶圆制造工艺制造的III-V族/硅混合激光器。在旧金山举行的国际电子器件会议(IEDM)上,Bertrand Szelag及其同事报告称,分布式反馈(DFB)发射器的最大输出功率为4 mW,其边模抑制比(SMSR)为50分贝。

研究小组的工作表明,完全有可能开发出适合于大规模集成的硅晶片制造工艺来制造大功率的激光器,这种工艺类似于制造传统硅芯片的方式。尽管混合材料方法结合了化合物半导体的发光特性和硅的实用性,但是迄今为止还没有证明大直径硅晶片的制造工艺能够与全尺寸CMOS工艺兼容。

这项最新的研究工作具有完全平面工艺流程的优点,如果它能够成为第一种真正意义上实现大规模生产的激光二极管制造工艺,那么对于低成本硅光子集成工艺而言,这一跨越式发展可能具有非常重要的意义。这种新工艺在数据中心、高性能计算,甚至是量子保密通信中的应用将可能非常广泛。

CMOS兼容性

研究小组表示:“在已发表的文章中,我们尽可能多的介绍了首次将完全CMOS兼容的200mm晶圆集成到混合III-V/Si分布反馈式激光器中。我们采用的方法的新颖性也依赖于使用创新的激光电触点,其中不包含任何例如黄金的贵金属,并且没有使用一体化'剥离'的过程。由于这些特性,激光触点使用了平坦化后端,并且在组成和集成方案方面都兼容CMOS。”

为了详细描述器件制造过程中的一些前期步骤,研究团队使用了局部硅增厚,在III-V材料增益部分下方制造了500nm厚的硅层。在使用深紫外(DUV)平版印刷术将布拉格光栅图案化到增益区域下方的加厚硅波导区域中之后,承载混合装置的关键元件的单个绝缘体上硅(SOI)和磷化铟(InP)与氧等离子体表面活化结合。

在刻蚀掉InP衬底之后,在200mm直径的SOI晶片的顶部留下形成有源激光器元件的多量子阱外延结构。剩下的工艺步骤是进行接触金属化,Szelag和他的同事选择使用镍触点,因为它们的可用性更强并且与III-V材料的有源层结构相容。激光二极管通常使用金触点,这不适用于“剥离”过程。

激光输出

在室温下进行的连续电动测试中,该激光器件在1300nm的波长处产生高达4 mW的输出功率,其中边模抑制比为50dB表明了良好的光谱纯度。虽然输出功率随施加的驱动电流的增加而变化,但研究小组表示,激光阈值电流在50 mA至65 mA之间都是稳定的。

他们还指出:“串联电阻在10Ω的范围内,这与使用非CMOS兼容工艺和材料制造的器件一致。因此,这些结果验证了采用完全兼容CMOS的镍基合金作为III-V金属化的集成是正确的。”

最后研究小组报告称,这种方法的创意得益于比利时微电子研究中心(IMEC)、意法半导体公司(STMicroelectronics)和其他地方的合作伙伴所开发的更广泛的硅光子技术。这是由欧盟资助的“PLAT4M”项目的一部分,它验证了完全CMOS兼容的混合激光制造方案。“未来的工作将涉及优化设计的实施,同时考虑到使用非晶硅来提高发射功率水平,两个金属层的布线也将被用来提高当前的驱动能力,并进一步降低等效电阻。”

法国原子能委员会电子与信息技术实验室和各“PLAT4M”合作伙伴在此前表示,他们已经在为期四年的研发项目中开发了三种不同的硅光子工艺,这项工程已经在今年早些时候完成,“使硅光子技术准备进入商业化领域”。

来源: http://optics.org/news/8/12/7

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