[논문 리뷰] GaAs nano-ridge laser diodes fully fabricated in a 300 mm CMOS pilot line

Yannick De Koninck, Charles Caër외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 20.

Photonic and Optical DevicesEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 CMOS 프로토타입 라인에서 300 mm 실리콘 웨이퍼에 완전히 프로세스된 첫 번째 전기적으로 구동되는 GaAs 기반 다중 양자 우물 레이저 다이오드를 보여준다. 선택적 영역 에피택시와 비율-비율 트랩핑을 사용하여, 저자들은 약 1020 nm 파장에서 실온에서 연속파 레이저 작동을 달성했으며, 임계 전류는 최소 5 mA, 출력 전력은 1 mW 이상, 대역폭은 46 MHz까지 낮아서 웨이퍼당 300개 이상의 장치에서 성능을 확보하였다. 이는 규모화된 포토닉 응용 분야를 위한 단일 실리콘 기반 III-V/Si 레이저 통합의 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스케일링 가능하고 비용 효율적인 포토닉 통합 회로를 위한 실리콘 기반 III-V 레이저 다이오드의 단일체 통합을 가능하게 하기 위해.
• 표준 CMOS 제조 환경에서 고성능 전기 구동 III-V 광원을 실리콘 기반 기판에 직접 통합하는 데 도전 과제를 극복하기 위해.
• 선택적 영역 에피택시를 사용하여 GaAs 기반 나노레인지 웨이브가이드, 내장형 p-i-n 다이오드, InGaAs 양자우물 구조를 웨이퍼 스케일로 제조하는 것을 목적으로 한다.
• 전체 300 mm 웨이퍼에 걸쳐 실온에서 연속파 작동 조건에서 이러한 레이저의 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 300 mm 실리콘 웨이퍼 상에서 고품질 GaAs 나노레인지 웨이브가이드를 형성하기 위해 선택적 영역 에피택시와 비율-비율 트랩핑을 사용하였다.
• 효율적인 캐리어 봉쇄와 광학적 Guiding을 위해 나노레인지 구조 내부에 InGaAs 다중 양자우물 활성 영역과 InGaP 패시베이션 층을 통합하였다.
• 프로토타입 라인 환경에서 III-V 패터닝 및 표준 CMOS 호환성 접촉 메탈라이제이션 공정을 수행하여 공정 호환성을 확보하였다.
• 전기적 주입과 광학적 이득을 가능하게 하기 위해 나노레인지 내부에 p-i-n 다이오드 구조를 내장하였다.
• 성능 균일성과 스케일러빌리티를 평가하기 위해 웨이퍼당 300개 이상의 장치에 걸쳐 전체 전기적 및 광학적 특성 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 CMOS 프로토타입 라인 공정 흐름을 사용하여 300 mm 실리콘 웨이퍼 상에 GaAs 기반 다중 양자우물 레이저 다이오드를 단일체로 통합할 수 있는가?
• RQ2 스케일업된 제조 조건에서 전기적으로 구동되는 GaAs 나노레인지 레이저의 성능은 임계 전류, 출력 전력, 대역폭 측면에서 어떻게 되는가?
• RQ3 선택적 영역 에피택시와 비율-비율 트랩핑을 통해 실리콘 기반 기판 상에서 고품질 III-V 재료의 성장이 얼마나 높은 품질로 가능해지는가?
• RQ4 제작된 레이저는 전체 300 mm 웨이퍼에 걸쳐 실온에서 연속파 작동 조건에서 일관된 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ5 이 플랫폼에서 InGaP 패시베이션 층과 p-i-n 다이오드의 통합은 장치의 효율성과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실온에서 연속파 레이저 작동이 단일 300 mm 웨이퍼 상의 300개 이상의 장치에서 약 1020 nm 파장에서 성공적으로 달성되었다.
• 레이저는 최소 5 mA의 낮은 임계 전류를 보였으며, 이는 높은 전기적 효율성과 낮은 광학적 손실을 의미한다.
• 출력 전력은 1 mW를 초과하여 실내 통신 및 센서 응용 분야에 필요한 충분한 광출력을 제공함을 입증하였다.
• 레이저 대역폭은 46 MHz까지 측정되어 높은 스펙트럼 순도를 보이며, 공진 통신에 적합함을 나타낸다.
• 레이저 작동은 55 °C까지 안정적으로 유지되어 실용적 운영 조건에서의 열적 내구성을 확인하였다.
• III-V 에피택시, 패터닝, 메탈라이제이션을 포함한 전체 제조 공정이 300 mm CMOS 프로토타입 라인에서 성공적으로 수행되어 공정의 스케일러빌리티와 호환성을 입증하였다.