Imec заявил о прорыве в кремниевой фотонике — лазеры научились выращивать на обычных 300-мм кремниевых пластинах

Бельгийский исследовательский центр Imec сообщил о прорыве в производстве лазерных диодов в рамках классического КМОП-процесса. Традиционно для этого использовались подложки из редких элементов и соединений, тогда как недорогой кремний всегда оставался за бортом. Это затрудняло развитие кремниевой фотоники, поскольку выращивание лазерных элементов в составе обычных чипов было невозможно. Опыт Imec меняет ситуацию: теперь лазеры можно выращивать на кремнии.

Для выращивания лазеров с использованием элементов III-V группы таблицы Менделеева традиционно применялись подложки из соединений тех же групп, например, арсенида галлия, фосфида индия и других. Обычно после наращивания полупроводниковых лазерных структур подложки утилизировались, а сами лазеры приходилось каким-либо образом закреплять на кремнии, если речь шла о приложениях кремниевой фотоники. Это было сложно, дорого и не способствовало устойчивому экологически чистому производству. Выращивание лазеров непосредственно на кремниевых структурах могло бы значительно упростить развитие оптических вычислений и других областей.

Одной из основных сложностей в производстве лазеров на кремнии были различные коэффициенты теплового расширения материалов. В Imec удалось решить эту проблему благодаря созданию своеобразных буферных зон — канавок вокруг площадок, на которых наращивались лазерные структуры из арсенида галлия, а также за счёт использования оригинальной ребристой наноструктуры диодов. В результате разработки удалось изготовить GaAs-лазеры на пилотной литографической линии на обычной 300-мм кремниевой пластине с применением КМОП-процесса.

Созданные таким образом полупроводниковые лазеры с длиной волны 1020 нм продемонстрировали способность излучать до 1,75 мВт оптической мощности при минимальном пороговом токе 5 мА. Лазеры показали устойчивую работу при комнатной температуре, что открывает им путь в такие области, как интенсивные вычисления, компьютерное зрение и другие перспективные направления.