Imec och Ghent University säger sig tagit ett viktigt steg mot nästa generations fotoniska kretsar för avancerade optiska kopplingar. Imec och Genth har nämligen för första gången tagit fram matriser av indiumfosfidlasrar monolitiskt integrerade på 300 mm kiselsubstrat i en CMOS-pilotlina och löst de problem som uppstår då de båda materialen har olika kristallgitterkonstanter.

Prestationen ses som ett genombrott för tillverkningen av fotoniska integrerade kretsar (PICs) med monolitiskt integrerade laserkällor i stora volymer som enligt Imec kommer att revolutionera dataöverföringen mellan framtidens logik och minneskretsar.

Under de senaste åren har efterfrågan på datakommunikation mellan servrar i datacenter ökat exponentiellt, till följd av en stark tillväxt inom sociala nätverk, cloud computing och det som kallas Big Data. Kiselfotonikteknik kan möjliggöra en kostnadseffektiv tillverkning av fiberoptiska sändtagare, som i sin tur möjliggör en fortsatt skalning av servrarnas och datorhallarnas kapacitet med förbättrad energieffektivitet. Emellertid har en utbredd användning av tekniken delvis hämmats av bristen på monolitiskt integrerade laserkällor.

Integrationen av effektiva InP-baserade ljuskällor på kisel används för närvarande för långväga telekommunikationsnät men tekniken är känd för att vara mycket utmanande på grund av den stora obalansen i kristallgitterkonstanter mellan de båda materialen.

IMEC och Genths university uppger sig övervunnit dessa strukturella skillnader och i stort sett undertryckt de skadliga kristalldefekter som normalt bildas i gränsytan mellan kisel och indiumfosfid. De båda använde en metal-organic vapor-phase epitaxial (MOVPE) tillväxtreaktor där halvledare i indiumfosfid selektivt odlades på kisel i en förmönstrade oxidmall och skapade matriser av vågledare i indiumfosfid över hela substratet. Därefter har periodiska gitterstrukturer etsats fram i det översta lagret av dessa vågledare och som ger den optiska återkoppling som erfordras för att lasern.

Enligt Imec och Ganths påvisades fungerande lasrar hos alla de testade enheterna, vilka består av en matris av tio InP-lasrar. Det typiska lasertröskelvärdet som uppvisats uppges varit runt 20 mW effekt vid rumstemperatur under optisk pumpning. Laserprestanda visade liten variation längs matrisen, vilket är ett tecken på den höga materialkvaliteten för heteroepitaxiellvuxen indiumfosfid. Dessutom har en noggrann styrning av distributionen av lasrarnas våglängder i matrisen kunnat demonstreras genom modifiering av gitterparametrarna.

Det nyligen uppvisade tillvägagångssättet att integrera lasrar med kisel har genomförts i Imecs 300 mm CMOS pilotanläggning som möjliggör tillverkning i stora stor volymer. En fortsatt och pågående forskning fokuserar på att växa mer komplexa, stackade lager för att på så sätt möjliggöra elektrisk injektion av lasrar i våglängdsområdet 1300 nm, tillsammans med integrationen med kiselbaserad vågledarkretsar.

Imecs forskning på och utveckling av optiska I/O genomförs i samarbete med kärnpartners inom institutets CMOS-program, inklusive Huawei, GlobalFoundries, Intel, Micron, Panasonic, Qualcomm, Samsung, Hynix, Sony och TSMC.

Filed under: Utländsk Teknik