Onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hebben gerapporteerd dat 's werelds eerste 1,5 μm III-V-lasers rechtstreeks zijn gegroeid op de industriestandaard 220 nm SOI (silicium-op-isolatoren) wafers zonder buffer, mogelijk een opening naar de "heilige graal" voor het huidige silicium (Si-) fotonica-onderzoek.

Naadloze overbrugging van de actieve III-V-lichtbronnen met de passieve op Si gebaseerde fotonische apparaten, de demonstratie zou kunnen worden ingezet als lichtbronnen in geïntegreerde schakelingen om de circuitsnelheid aanzienlijk te verbeteren, energie-efficiëntie en kosteneffectiviteit.

In andere conventionele benaderingen van het integreren van III-V-lasers op Si in de literatuur, dikke III-V-buffers tot enkele micrometers worden gebruikt om de defectdichtheden te verminderen, wat enorme uitdagingen vormt voor een efficiënte lichtinterfacing tussen de epitaxiale III-V-lasers en de op Si gebaseerde golfgeleiders.

Voor het eerst in de geschiedenis, het onderzoeksteam onder leiding van prof. Lau Kei-May van HKUST's Department of Electronic and Computer Engineering en postdoctoraal fellow Dr. Han Yu bedacht een nieuw groeischema om de behoefte aan dikke III-V-buffers te elimineren en bevorderde zo een efficiënte lichtkoppeling in de Si-golfgeleiders. De bufferloze functie wijst op een volledig geïntegreerde op Si gebaseerde fotonische geïntegreerde schakelingen.

Dat heeft de eerste demonstratie mogelijk gemaakt van 1,5 μm III-V-lasers die rechtstreeks zijn gekweekt op de industriestandaard 220 nm SOI-wafels met behulp van metaal-organische chemische dampafzetting (MOCVD). Eerdere demonstraties vereisten niet-industriestandaard bulk Si of dikke SOI-wafels.

De onderzoeksresultaten zijn onlangs online gepubliceerd in optiek in februari 2020.

De groeiende vraag naar internetdiensten in de wereld en de digitalisering van ons leven leiden tot het genereren van een enorme hoeveelheid digitale gegevens, verwerkt, opgeslagen, en verzonden.

Silicium is het meest gebruikte materiaal bij de productie van halfgeleiders, die zijn ingebed in bijna elk stukje communicatietechnologie waar we elke dag op vertrouwen, van computers en smartphones tot datacenters en satellietcommunicatie.

Maar verbeteringen in de efficiëntie van conventionele elektronische datasystemen kunnen het stijgende dataverkeer niet inhalen, die vraagt ​​om de integratie van fotonische functionaliteiten op het conventionele Si-gebaseerde elektronische platform. De integratie zou opto-elektronische geïntegreerde schakelingen kunnen produceren met ongeëvenaarde snelheid en functionaliteiten, en nieuwe toepassingen mogelijk te maken.

Maar fundamentele verschillen tussen Si- en III-V-materialen betekenen dat het een enorme uitdaging is om III-V-functionaliteiten rechtstreeks op het Si-platform te laten groeien.

De groep van prof. Lau in het Phonics Technology Center van HKUST heeft zich al meer dan tien jaar ingespannen om III-V-materialen en -functionaliteiten op reguliere siliciumwafers te integreren, het innoveren en optimaliseren van verschillende benaderingen om de prestaties van III-V-lasers op Si te verbeteren, met het doel om geleidelijk de eisen van de industrie te benaderen. Dit werk maakt deel uit van hun project over monolithische integratie van III-V-lasers op silicium.

Dankzij hun methode bedachten ze eerst een uniek groeischema om rechtstreeks hoogwaardige III-V-materialen te kweken op de industriestandaard 220 SOI-platforms. Vervolgens, ze karakteriseerden en bewezen de uitstekende kristallijne kwaliteit van deze epitaxiale III-V-materialen door middel van uitgebreide transmissie-elektronenmicroscopie en fotoluminescentiemetingen. Het team ontwierp en fabriceerde de met lucht beklede laserholtes op basis van numerieke simulaties en ze testten uiteindelijk de apparaten die aantoonden dat de lasers kamertemperatuur en laagdrempelige laserstraling in de technologisch belangrijke 1,5 m-band onder optische excitatie konden weerstaan.

De demonstratie leidt tot de mogelijkheid en het potentieel om III-V-lasers monolithisch te integreren op de industriestandaard 220 nm SOI-wafels in een economische, compact, en schaalbare manier.

Prof. Lau zei:"Als het praktisch wordt toegepast, onze technologie zou een aanzienlijke verbetering van de snelheid, energieverbruik, kosten efficiëntie, en functionaliteit van de huidige Si-gebaseerde geïntegreerde schakelingen. Onze dagelijkse elektronische apparaten, zoals smartphones, laptops en tv's - eigenlijk alles dat op internet is aangesloten - zullen veel sneller zijn, goedkoper, met veel minder stroom en multifunctioneel."

Dr. Han voegde toe:"De volgende stap van ons onderzoek is het ontwerpen en demonstreren van de eerste elektrisch aangedreven 1,5 μm III-V-lasers die rechtstreeks op de 220 nm SOI-platforms worden gekweekt. en een schema bedenken om licht van de III-V-lasers efficiënt te koppelen aan Si-golfgeleiders en daardoor conceptueel volledig geïntegreerde Si-fotonica-circuits te demonstreren."