4 modi per mettere i laser sul silicio

Puoi realizzare molte cose con la fotonica del silicio, ma il laser non è una di queste

Circuiti integrati fotonici, che combinano un insieme di funzioni optoelettroniche su un unico chip, sono una parte sempre più comune della vita quotidiana. Sono utilizzati nei ricetrasmettitori ottici ad alta velocità che collegano i rack dei server nei data center, compreso quello utilizzato per fornire il sito Web IEEE Spectrum, nei lidar per mantenere in carreggiata le auto a guida autonoma e negli spettrometri per individuare le sostanze chimiche nell'atmosfera, tra gli altri. molte altre applicazioni. Tutti questi sistemi sono diventati meno costosi e, in alcuni casi, sono diventati economicamente fattibili, realizzando la maggior parte dei circuiti integrati con tecnologie di fabbricazione del silicio.

Gli ingegneri sono stati in grado di integrare quasi tutte le funzioni ottiche importanti, compresi gli elementi essenziali di modulazione e rilevamento, sui chip fotonici di silicio, tranne una: l'emissione di luce. Il silicio stesso non lo fa in modo efficiente, quindi i semiconduttori realizzati con i cosiddetti materiali III-V, chiamati per la posizione dei loro costituenti nella tavola periodica, vengono generalmente utilizzati per realizzare componenti confezionati separatamente per produrre luce.

Se puoi convivere con un diodo laser esterno nel tuo progetto, non ci sono problemi. Ma diversi fattori hanno recentemente spinto gli ingegneri a integrare i laser con la fotonica del silicio. Potrebbe non esserci spazio, ad esempio, per una fonte di luce separata. Piccoli dispositivi destinati ad essere impiantati nel corpo per monitorare, ad esempio, i livelli di zucchero nel sangue, potrebbero affrontare questo problema. Oppure il costo di un'applicazione potrebbe richiedere una più stretta integrazione: quando si possono montare centinaia o migliaia di laser su un singolo wafer di silicio, ci si ritroverà con un costo inferiore e spesso con un'affidabilità maggiore rispetto a quando è necessario collegare chip separati.

Esistono molti modi per ottenere questa più stretta integrazione tra laser e silicio. Lavorando presso Imec, un centro di ricerca e sviluppo sulla nanoelettronica con sede in Belgio, stiamo attualmente perseguendo quattro strategie di base: elaborazione di flip-chip, stampa a microtrasferimento, incollaggio di wafer e integrazione monolitica. Quella che segue è una guida su come funzionano questi approcci, sul loro livello di scalabilità e maturità, nonché sui loro pro e contro.

Nel bonding flip-chip, le matrici laser [a sinistra] vengono trasferite individualmente e legate a un wafer fotonico di silicio. Emily Cooper

Un modo sempliceL'integrazione diretta dei laser sui wafer di silicio è una tecnologia di confezionamento dei chip chiamata elaborazione flip-chip, che è proprio quello che sembra.

Le connessioni elettriche di un chip si trovano nella parte superiore, dove lo strato più alto di interconnessioni termina su cuscinetti metallici. La tecnologia flip-chip si basa su sfere di saldatura attaccate a questi pad. Il chip viene quindi capovolto in modo che la saldatura si allinei con i pad corrispondenti sulla confezione del chip (o nel nostro caso su un altro chip). La saldatura viene quindi fusa, legando il chip al pacchetto.

Il concetto è simile ma più impegnativo quando si tenta di collegare un chip laser a un chip fotonico al silicio. I laser che emettono bordi vengono completamente elaborati su un wafer, suddivisi in singoli chip e testati dal fornitore. I singoli chip laser vengono quindi fissati al wafer fotonico di silicio target, utilizzando una versione ad alta precisione del processo flip-chip, una matrice laser alla volta. La parte difficile è garantire che l'uscita del laser, che emette sul bordo, sia allineata con l'ingresso del chip fotonico al silicio. Usiamo un processo chiamato accoppiamento di testa, in cui il laser è posizionato in una parte incassata del silicio, quindi è appoggiato lateralmente alla sfaccettatura incisa di una guida d'onda fotonica in silicio.

Affinché ciò funzioni, il processo flip-chip richiede una precisione di allineamento submicrometrica in tutte e tre le dimensioni. Negli ultimi anni sono stati sviluppati strumenti specializzati per l'incollaggio di flip-chip a questo scopo e noi e i nostri collaboratori e partner di sviluppo li abbiamo utilizzati per ottimizzare i processi di assemblaggio. Sfruttando uno strumento pick-and-place avanzato che utilizza la visione artificiale per mantenere un allineamento preciso, possiamo posizionare e incollare dispositivi laser con una precisione migliore di 500 nanometri in poche decine di secondi.