[論文レビュー] GaAs nano-ridge laser diodes fully fabricated in a 300 mm CMOS pilot line

Yannick De Koninck, Charles Caër+15 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Photonic and Optical DevicesEngineering被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、CMOSプロセスラインで300 mmシリコンウェハー上に完全にプロセスされた、初めての電気駆動型ガリウムヒ素（GaAs）基盤マルチ量子井戦型レーザーダイオードを実証した。選択的領域エpitaxyとアスペクト比トラッピングを用いて、室温連続波発光を1020 nm付近で達成し、しきい値電流が5 mAまで低下、出力電力は1 mWを超えており、1枚のウェハーあたり300個以上のデバイスでライン幅が46 MHzまでにまで短縮された。これは、スケーラブルなフォトニクス応用に向けたモノリシックなIII-V/Siレーザー統合の実現可能性を裏付けた。

ABSTRACT

Silicon photonics is a rapidly developing technology that promises to revolutionize the way we communicate, compute, and sense the world. However, the lack of highly scalable, native CMOS-integrated light sources is one of the main factors hampering its widespread adoption. Despite significant progress in hybrid and heterogeneous integration of III-V light sources on silicon, monolithic integration by direct epitaxial growth of III-V materials remains the pinnacle in realizing cost-effective on-chip light sources. Here, we report the first electrically driven GaAs-based multi-quantum-well laser diodes fully fabricated on 300 mm Si wafers in a CMOS pilot manufacturing line. GaAs nano-ridge waveguides with embedded p-i-n diodes, InGaAs quantum wells and InGaP passivation layers are grown with high quality at wafer scale, leveraging selective-area epitaxy with aspect-ratio trapping. After III-V facet patterning and standard CMOS contact metallization, room-temperature continuous-wave lasing is demonstrated at wavelengths around 1020 nm in more than three hundred devices across a wafer, with threshold currents as low as 5 mA, output powers beyond 1 mW, laser linewidths down to 46 MHz, and laser operation up to 55 °C. These results illustrate the potential of the III-V/Si nano-ridge engineering concept for the monolithic integration of laser diodes in a Si photonics platform, enabling future cost-sensitive high-volume applications in optical sensing, interconnects and beyond.

研究の動機と目的

• スケーラブルでコスト効率の良いフォトニクス集積回路を実現するため、シリコン上へのモノリシックなIII-Vレーザーダイオード統合を可能にすること。
• 標準的なCMOS製造環境下で、高品質で電気駆動可能なIII-V光源をシリコン基板上に直接統合する課題を克服すること。
• 選択的領域エpitaxyを用いて、埋め込まれたp-i-nダイオードおよびインジウムガリウムヒ素（InGaAs）量子井戦を有するGaAs基盤ナノリッジ波ガイドのウェハー規模でのプロセスを実証すること。
• 1枚の300 mmウェハー全体にわたり、室温連続波動作下でのこれらのレーザーの性能を検証すること。

提案手法

• アスペクト比トラッピングを用いた選択的領域エpitaxyにより、300 mmシリコンウェハー上に高品質なGaAsナノリッジ波ガイドを成長させた。
• 効率的なキャリア閉じ込めと光ガイドを実現するため、ナノリッジ構造内にInGaAsマルチ量子井戦活性層およびInGaPパッシベーション層を統合した。
• プロセスの相容性を確保するため、プロトタイプライン環境下でIII-V端面パターニングおよび標準的なCMOS準拠の接触メタル化プロセスを実施した。
• 電気注入と光学的増幅を可能にするために、ナノリッジ内にp-i-nダイオード構造を埋め込んだ。
• 1ウェハーあたり300個を超えるデバイスを対象に、全電気的および光学的特性評価を実施し、性能の一様性とスケーラビリティを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なCMOSプロセスラインを用いて、300 mmシリコンウェハー上にモノリシックに統合されたガリウムヒ素基盤マルチ量子井戦型レーザーダイオードを実現できるか？
• RQ2 スケールアップして製造されたガリウムヒ素ナノリッジレーザーの性能は、しきい値電流、出力電力、ライン幅の観点でどの程度か？
• RQ3 アスペクト比トラッピングを用いた選択的領域エpitaxyは、フォトニクスデバイス向けに、シリコン基板上での高品質なIII-V材料成長をどの程度可能にするか？
• RQ4 製造されたレーザーは、1枚の300 mmウェハー全体にわたり、室温連続波動作を一貫して達成できるか？
• RQ5 このプラットフォームにおいて、InGaPパッシベーション層およびp-i-nダイオードの統合は、デバイス効率および信頼性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 1枚の300 mmウェハーに300個を超えるデバイスが搭載された状態で、室温連続波発光が約1020 nmの波長で達成された。
• しきい値電流が最小で5 mAにまで低下し、高い電気的効率と低い光損失を示した。
• 出力電力が1 mWを超えたため、オンチップインターバンクやセンシング応用に十分な光学出力を示した。
• ライン幅が46 MHzまで短縮されたため、高スペクトル純度を示し、コherent通信に適した性能を示した。
• 55 °Cまで安定した動作を示し、実用的運用条件における熱的耐性を確認した。
• III-Vエpitaxy、パターニング、メタル化を含む全プロセスが、300 mm CMOSプロトタイプラインで成功裏に実施された。これは、プロセスのスケーラビリティおよび相容性を裏付けた。