Første bufferløse 1,5 μm III-V lasere dyrket direkte på siliciumskiver i Si-fotonik

Forskere fra Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) har rapporteret verdens første 1,5 μm III-V-lasere, der er direkte dyrket på branchestandard 220 nm SOI (silicium-on-isolatorer) skiver uden buffer, muligvis baner en åbning til den "hellige gral" for nuværende silicium (Si-) fotonikforskning.

Problemfri bro mellem de aktive III-V lyskilder med de passive Si-baserede fotoniske enheder, demonstrationen kunne indsættes som lyskilder i integrerede kredsløb for i høj grad at forbedre kredsløbshastigheden, energieffektivitet og omkostningseffektivitet.

I andre konventionelle metoder til integration af III-V-lasere på Si i litteraturen, tykke III-V buffere op til et par mikrometer bruges til at reducere defektdensiteterne, som stiller enorme udfordringer for effektiv lysinterface mellem de epitaksiale III-V-lasere og de Si-baserede bølgeledere.

For første gang i historien, forskerteamet ledet af prof. Lau Kei-May fra HKUSTs afdeling for elektronik og computerteknik og postdoktor Dr. Han Yu udtænkte en ny vækstordning for at eliminere kravet om tykke III-V buffere og fremmer dermed effektiv lyskobling til Si-bølgelederne. Den bufferløse funktion peger på et fuldt integreret Si-baseret fotonisk integreret kredsløb.

Det har muliggjort den første demonstration af 1,5 um III-V-lasere, der direkte dyrkes på branchestandarden 220 nm SOI-skiver ved hjælp af metalorganisk kemisk dampaflejring (MOCVD). Tidligere demonstrationer krævede ikke-branchestandard bulk Si eller tykke SOI-skiver.

Forskningsresultaterne blev for nylig offentliggjort online i Optica i februar 2020.

Verdens voksende appetit på internettjenester og digitalisering af vores liv fører til, at der genereres en enorm mængde digitale data, behandlet, gemt, og transmitteret.

Silicium er det mest anvendte materiale til fremstilling af halvledere, som er integreret i næsten hvert stykke kommunikationsteknologi, som vi hver dag stoler på, fra computere og smartphones til datacentre og satellitkommunikation.

Men forbedringer i effektiviteten af ​​konventionelle elektroniske datasystemer kan ikke indhente den stigende datatrafik, som kræver integration af fotoniske funktioner på den konventionelle Si-baserede elektroniske platform. Integrationen kunne producere optoelektroniske integrerede kredsløb med enestående hastighed og funktionaliteter, og aktivere nye applikationer.

Men grundlæggende forskelle mellem Si- og III-V-materialer betyder, at det er ekstremt udfordrende at dyrke III-V-funktioner direkte på Si-platformen.

Prof. Lau's gruppe ved HKUSTs Phonics Technology Center har bestræbt sig på at integrere III-V materialer og funktionaliteter på almindelige siliciumskiver i over et årti, innovation og optimering af forskellige tilgange til forbedring af ydeevnen for III-V lasere dyrket på Si, med målet om gradvist at nærme sig branchens krav. Dette arbejde er en del af deres projekt om monolitisk integration af III-V lasere på silicium.

Deres metode fik dem først til at udtænke en unik vækstordning for direkte at dyrke III-V-materialer af høj kvalitet på 220 SOI-platforme i industristandard. Derefter, de karakteriserede og vidnede om den fremragende krystallinske kvalitet af disse epitaksiale III-V-materialer gennem omfattende transmissionselektronmikroskopi og fotoluminescensmålinger. Teamet designede og fremstillede de luftbeklædte laserhulrum baseret på numeriske simuleringer, og de testede til sidst enhederne, der viste, at laserne kunne opretholde stuetemperatur og lavterskellasing i det teknologisk vigtige 1,5 μm bånd under optisk excitation.

Demonstrationen fører til muligheden og potentialet for monolitisk at integrere III-V lasere på branchestandarden 220 nm SOI wafers i en økonomisk, kompakt, og skalerbar måde.

Prof. Lau sagde:"Hvis det praktisk talt anvendes, vores teknologi kunne muliggøre en betydelig forbedring af hastigheden, strømforbrug, omkostningseffektivitet, og funktionalitet af nuværende Si-baserede integrerede kredsløb. Vores daglige elektroniske enheder, såsom smartphones, bærbare computere og tv'er - stort set alt, der er forbundet med internettet - vil være meget hurtigere, billigere, bruger meget mindre strøm og multifunktionel. "

Dr. Han tilføjede:"Det næste trin i vores forskning vil være at designe og demonstrere de første elektrisk drevne 1,5 μm III-V-lasere, der dyrkes direkte på 220 nm SOI-platforme, og udtænke en ordning til effektivt at koble lys fra III-V-laserne til Si-bølgeledere og derved konceptuelt demonstrere fuldt integrerede Si-fotoniske kredsløb. "