4 способа нанесения лазеров на кремний

С помощью кремниевой фотоники можно сделать многое, но лазер в их число не входит.

Фотонные интегральные схемы, которые объединяют набор оптоэлектронных функций на одном чипе, становятся все более распространенной частью повседневной жизни. Они используются в высокоскоростных оптических трансиверах, которые соединяют серверные стойки в центрах обработки данных, в том числе в той, которая используется для доставки веб-сайта IEEE Spectrum, в лидарах, позволяющих контролировать беспилотные автомобили, и в спектрометрах для обнаружения химических веществ в атмосфере. многие другие приложения. Все эти системы стали менее дорогими и в некоторых случаях стали экономически целесообразными благодаря тому, что большая часть ИС изготавливается с использованием кремниевых технологий изготовления.

Инженерам удалось интегрировать в кремниевые фотонные чипы практически все важные оптические функции, включая основные функции модуляции и обнаружения, за исключением одной: излучения света. Кремний сам по себе не делает этого эффективно, поэтому полупроводники, изготовленные из так называемых материалов III-V, названных в честь места их составляющих в таблице Менделеева, обычно используются для изготовления отдельно упакованных компонентов для производства света.

Если вы можете использовать в своей конструкции внешний лазерный диод, проблем нет. Но в последнее время несколько факторов подтолкнули инженеров к интеграции лазеров с кремниевой фотоникой. Например, может не быть места для отдельного источника света. Крошечные устройства, предназначенные для имплантации в организм для мониторинга, например, уровня сахара в крови, могут столкнуться с этой проблемой. Или стоимость приложения может потребовать более тесной интеграции: когда вы можете разместить сотни или тысячи лазеров на одной кремниевой пластине, вы получите более низкую стоимость и зачастую более высокую надежность, чем когда вам нужно соединить отдельные чипы.

Есть много способов добиться более тесной интеграции лазеров и кремния. Работая в Imec, бельгийском научно-исследовательском центре наноэлектроники, мы в настоящее время реализуем четыре основные стратегии: обработка флип-чипа, микротрансферная печать, соединение пластин и монолитная интеграция. Ниже приводится руководство о том, как работают эти подходы, их уровень масштабируемости и зрелости, а также их плюсы и минусы.

При соединении перевернутых кристаллов лазерные кристаллы (слева) индивидуально переносятся и прикрепляются к пластине кремниевой фотоники. Эмили Купер

Простой способПрямая интеграция лазеров на кремниевых пластинах — это технология упаковки чипов, называемая перевернутой обработкой чипов, что очень похоже на то, на что это похоже.

Электрические соединения микросхемы находятся сверху, где самый верхний слой межсоединений заканчивается металлическими контактами. Технология флип-чипов основана на шариках припоя, прикрепленных к этим площадкам. Затем чип переворачивается так, чтобы припой совпадал с соответствующими контактными площадками на корпусе чипа (или, в нашем случае, на другом чипе). Затем припой плавится, прикрепляя чип к корпусу.

Концепция похожа, но более требовательна при попытке соединить лазерный чип с чипом кремниевой фотоники. Лазеры с краевым излучением полностью обрабатываются на пластине, разрезаются на отдельные чипы и тестируются поставщиком. Затем отдельные лазерные чипы прикрепляются к целевой кремниевой фотонной пластине с использованием высокоточной версии процесса переворачивания чипа, по одному лазерному кристаллу за раз. Сложнее всего обеспечить, чтобы выходной сигнал лазера, излучающего на краю, совпадал с входным сигналом кремниевого фотонного чипа. Мы используем процесс, называемый стыковым соединением, при котором лазер помещается в углубленную часть кремния, поэтому он прилегает сбоку к вытравленной грани кремниевого фотонного волновода.

Чтобы это работало, процесс перевернутого чипа требует субмикрометровой точности выравнивания во всех трех измерениях. За последние несколько лет для выполнения этой задачи были разработаны специализированные инструменты для склеивания перевернутых чипов, и мы, наши сотрудники и партнеры по разработке использовали их для оптимизации процессов сборки. Используя усовершенствованный инструмент для захвата и размещения, который использует машинное зрение для поддержания точного выравнивания, мы можем размещать и соединять лазерные устройства с точностью выше 500 нанометров всего за несколько десятков секунд.