[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文首次在300 mm硅基板的CMOS试点线上实现了全尺寸电泵浦GaAs基多量子阱激光二极管的制造。通过使用具有高宽比陷阱效应的选择性外延生长技术，作者实现了在室温下连续波输出，中心波长约为1020 nm，阈值电流低至5 mA，输出功率超过1 mW，线宽低至46 MHz，且在单张300 mm硅片上成功制备超过300个器件，证明了III-V/Si激光器单片集成在可扩展光子应用中的可行性。

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.

研究动机与目标

• 实现III-V激光二极管在硅基板上的单片集成，以支持可扩展、低成本的光子集成电路。
• 克服在标准CMOS制造环境中将高质量、电泵浦的III-V光源直接集成到硅基板上的挑战。
• 展示利用选择性外延生长技术，在GaAs基纳米脊波导中嵌入p-i-n结和InGaAs量子阱，实现晶圆级制造。
• 在整张300 mm硅片上验证这些激光器在室温连续波工作状态下的性能表现。

提出的方法

• 采用具有高宽比陷阱效应的选择性外延生长技术，在300 mm Si基板上生长高质量的GaAs纳米脊波导。
• 在纳米脊结构中集成InGaAs多量子阱活性区和InGaP钝化层，以实现高效的载流子限制和光场引导。
• 在试点线环境中完成III-V端面图案化及标准CMOS兼容的接触金属化工艺，确保工艺兼容性。
• 在纳米脊中嵌入p-i-n结结构，以实现电注入和光学增益。
• 对每片硅片上超过300个器件进行全面的电学与光学表征，以评估性能的一致性与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在标准CMOS试点线工艺流程下，利用300 mm硅基板实现GaAs基多量子阱激光二极管的单片集成？
• RQ2 在大规模制造条件下，电泵浦GaAs纳米脊激光器的性能表现如何，具体体现在阈值电流、输出功率和线宽方面？
• RQ3 选择性外延生长结合高宽比陷阱技术在多大程度上能够实现高质量III-V材料在硅基板上的外延生长，以用于光子器件？
• RQ4 所制备的激光器是否能在整张300 mm硅片上实现室温下的连续波稳定工作，并保持一致的性能表现？
• RQ5 InGaP钝化层与p-i-n结的集成在该平台中对器件效率与可靠性有何影响？

主要发现

• 在单张300 mm硅片上超过300个器件中，实现了在约1020 nm波长下的室温连续波激光输出。
• 激光器的阈值电流最低可达5 mA，表明具有高电光转换效率和低光学损耗。
• 输出功率超过1 mW，证明其具备满足片上互连与传感应用的足够光输出能力。
• 激光线宽最低测量至46 MHz，表明光谱纯度高，适用于相干通信。
• 激光器在最高55 °C的环境下仍保持稳定工作，证实其在实际工作条件下的热稳定性。
• 整个制造流程，包括III-V外延、图案化和金属化，均成功在300 mm CMOS试点线上完成，证明了工艺的可扩展性与兼容性。