Onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hebben een nieuwe integratietechniek ontwikkeld voor efficiënte integratie van III-V samengestelde halfgeleiderapparaten en silicium, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor fotonische integratie tegen lage kosten, groot volume en hoge snelheid en doorvoer. dat een revolutie teweeg zou kunnen brengen in de datacommunicatie.

In tegenstelling tot conventionele geïntegreerde schakelingen, of microchips, die elektronen gebruiken, gebruiken fotonische geïntegreerde schakelingen fotonen of lichtdeeltjes. Fotonische integratie combineert licht en elektronica om de gegevensoverdracht te versnellen. Vooral siliciumfotonica (Si-fotonica) loopt voorop in deze revolutie, omdat het de creatie mogelijk maakt van snelle, goedkope verbindingen die enorme hoeveelheden gegevens tegelijk kunnen verwerken.

Hoewel silicium passieve optische functies kan uitvoeren, worstelt het met actieve taken, zoals het genereren van licht (lasers) of het detecteren ervan (fotodetectoren), beide belangrijke componenten voor het genereren en uitlezen van gegevens. Dit vereist de integratie van III-V-halfgeleiders (die materialen uit de groepen III en V van het periodiek systeem gebruiken) op een siliciumsubstraat voor volledige functionaliteit en verbeterde efficiëntie.

Maar hoewel III-V-halfgeleiders de actieve taken goed uitvoeren, werken ze van nature niet goed met silicium. Het team, onder leiding van prof. Ying Xue, onderzoeksassistent-professor en prof. Kei May Lau, onderzoeksprofessor van de afdeling Emerging Interdisciplinaire Gebieden (EMIA), pakte deze uitdaging aan door een manier te vinden om III-V-apparaten efficiënt met silicium te laten werken. .

Ze ontwikkelden een techniek genaamd lateral aspect ratio trapping (LART) – een nieuwe selectieve directe epitaxiemethode die selectief III-V-materialen op silicium-op-isolator (SOI) in laterale richting kan laten groeien zonder de noodzaak van dikke buffers.

Hoewel geen enkele in de literatuur gerapporteerde integratiemethode de uitdaging met een hoge koppelingsefficiëntie en een hoog productievolume zou kunnen oplossen, bereikte hun methode een III-V-laser in het vlak, zodat de III-V-laser kan koppelen met Si in hetzelfde vlak, dat wil zeggen efficiënt.

"Onze aanpak pakte de discrepantie tussen III-V-apparaten en Si aan. Het zorgde voor uitstekende prestaties van III-V-apparaten en maakte het gemakkelijk en efficiënt om III-V met Si te koppelen", aldus prof. Xue.

De afgelopen decennia is het dataverkeer exponentieel gegroeid, gedreven door opkomende technologieën, zoals big data, cloudapplicaties en sensoren. Het gebied van geïntegreerde schakelingen (IC's), ook wel bekend als micro-elektronica, heeft die groei mogelijk gemaakt door elektronische apparaten kleiner en sneller te maken dankzij de wet van Moore, een observatie dat het aantal transistors op een microchip ongeveer elke twee jaar verdubbelt. Maar de voortdurende explosie van dataverkeer heeft traditionele elektronische apparaten tot het uiterste gedreven.

De start van het Zettabyte-tijdperk in 2016 luidde een enorme groei in op het gebied van het genereren, verwerken, verzenden, opslaan en uitlezen van gegevens. Deze enorme hoeveelheid data brengt kritische uitdagingen met zich mee op het gebied van snelheid, bandbreedte, kosten en energieverbruik. Dit is waar fotonische integratie, in het bijzonder Si-fotonica, om de hoek komt kijken.

In de volgende stappen wil het team laten zien dat III-V-lasers geïntegreerd met siliciumgolfgeleiders goed kunnen presteren, omdat ze een lage drempel, een hoog uitgangsvermogen, een lange levensduur en de mogelijkheid hebben om bij hoge temperaturen te werken.

Er zijn belangrijke wetenschappelijke uitdagingen die moeten worden aangepakt voordat deze techniek in het echte leven kan worden gebruikt, zei ze. Maar het zal communicatie van de nieuwe generatie en verschillende opkomende toepassingen en onderzoeksgebieden mogelijk maken, waaronder supercomputers, kunstmatige intelligentie (AI), biogeneeskunde, automobieltoepassingen en neurale en kwantumnetwerken.

Het onderzoek is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Laser &Photonics Reviews .

Meer informatie: Ying Xue et al., In-plane 1,5 µm gedistribueerde feedbacklasers selectief gekweekt op (001) SOI (Laser Photonics Rev. 18(1)/2024), Laser &Photonics Reviews (2024). DOI:10.1002/lpor.202470006

Aangeboden door de Hong Kong Universiteit voor Wetenschap en Technologie