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.