4 maneiras de colocar lasers no silício

Você pode fazer muitas coisas com fotônica de silício, mas um laser não é uma delas

circuitos integrados fotônicos, que combinam uma coleção de funções optoeletrônicas em um único chip, são uma parte cada vez mais comum da vida cotidiana. Eles são usados ​​em transceptores ópticos de alta velocidade que ligam racks de servidores em centros de dados, incluindo o usado para entregar o site IEEE Spectrum, em lidars para manter carros autônomos na pista e em espectrômetros para detectar produtos químicos na atmosfera, entre muitas outras aplicações. Todos esses sistemas ficaram mais baratos e, em alguns casos, tornaram-se economicamente viáveis, fazendo a maior parte do CI com tecnologias de fabricação de silício.

Os engenheiros conseguiram integrar quase todas as funções ópticas importantes, incluindo os fundamentos da modulação e detecção, em chips fotônicos de silício, exceto por uma: emissão de luz. O próprio silício não faz isso de forma eficiente, então os semicondutores feitos dos chamados materiais III-V, nomeados pelo lugar de seus constituintes na tabela periódica, são normalmente usados ​​para fazer componentes embalados separadamente para produzir luz.

Se você pode viver com um diodo laser externo em seu projeto, não há problema. Mas vários fatores recentemente levaram os engenheiros a integrar lasers com fotônica de silício. Pode não haver, por exemplo, espaço para uma fonte de luz separada. Pequenos dispositivos destinados a serem implantados no corpo para monitorar, por exemplo, os níveis de açúcar no sangue, podem enfrentar esse problema. Ou o custo de um aplicativo pode exigir uma integração mais próxima: quando você pode encaixar centenas ou milhares de lasers em um único wafer de silício, terá um custo menor e geralmente maior confiabilidade do que quando precisa conectar chips separados.

Existem muitas maneiras de alcançar essa integração mais estreita de lasers e silício. Trabalhando no Imec, um centro de pesquisa e desenvolvimento de nanoeletrônica com sede na Bélgica, estamos atualmente buscando quatro estratégias básicas: processamento flip-chip, impressão por microtransferência, ligação de wafer e integração monolítica. O que se segue é um guia de como essas abordagens funcionam, seu nível de escalabilidade e maturidade e seus prós e contras.

Na ligação flip-chip, matrizes de laser [esquerda] são transferidas individualmente e ligadas a um wafer fotônico de silício.Emily Cooper

Uma maneira diretade integrar lasers diretamente em wafers de silício é uma tecnologia de empacotamento de chip chamada processamento flip-chip, que é exatamente o que parece.

As conexões elétricas de um chip estão no topo, onde a camada superior de interconexões termina em almofadas de metal. A tecnologia flip-chip depende de bolas de solda presas a esses pads. O chip é então virado para que a solda se alinhe com os pads correspondentes na embalagem do chip (ou, no nosso caso, em outro chip). A solda é então derretida, ligando o chip ao pacote.

O conceito é semelhante, mas mais preciso, ao tentar ligar um chip de laser a um chip fotônico de silício. Os lasers de emissão de borda são totalmente processados ​​em um wafer, cortados em chips individuais e testados pelo fornecedor. Os chips de laser individuais são então ligados ao wafer fotônico de silício alvo, usando uma versão de alta precisão do processo flip-chip, uma matriz de laser por vez. A parte difícil é garantir que a saída do laser, que emite na borda, se alinhe com a entrada do chip fotônico de silício. Usamos um processo chamado butt-coupling, em que o laser é colocado em uma parte rebaixada do silício, de modo que fique encostado lateralmente à faceta gravada de um guia de onda fotônico de silício.

Para que isso funcione, o processo flip-chip requer precisão de alinhamento submicrométrica em todas as três dimensões. Ferramentas especializadas de ligação flip-chip foram desenvolvidas ao longo dos últimos anos para realizar o trabalho, e nós, nossos colaboradores e parceiros de desenvolvimento as usamos para otimizar os processos de montagem. Aproveitando uma ferramenta avançada de pick-and-place que usa visão de máquina para manter um alinhamento preciso, podemos colocar e unir dispositivos a laser com precisões superiores a 500 nanômetros em apenas algumas dezenas de segundos.