Forskere udvikler ny integrationsteknik til effektiv kobling af III-V og silicium

Forskere ved Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) har udviklet en ny integrationsteknik til effektiv integration af III-V sammensatte halvlederenheder og silicium, hvilket baner vejen for fotonisk integration til lave omkostninger, stort volumen og høj hastighed og gennemstrømning der kunne revolutionere datakommunikation.

I modsætning til konventionelle integrerede kredsløb eller mikrochips, der bruger elektroner, bruger fotoniske integrerede kredsløb fotoner eller lyspartikler. Fotonisk integration kombinerer lys og elektronik for at fremskynde dataoverførslen. Især siliciumfotonik (Si-fotonik) er på forkant med denne revolution, da det muliggør skabelsen af ​​højhastighedsforbindelser til lave omkostninger, der kan håndtere enorme mængder data på én gang.

Mens silicium kan håndtere passive optiske funktioner, kæmper det med aktive opgaver, såsom at generere lys (lasere) eller detektere det (fotodetektorer) - begge nøglekomponenter til datagenerering og udlæsning. Dette nødvendiggør integration af III-V-halvleder (som bruger materialer fra gruppe III og V i det periodiske system) på et siliciumsubstrat for fuldstændig funktionalitet og øget effektivitet.

Men mens III-V-halvledere klarer de aktive opgaver godt, fungerer de naturligvis ikke godt sammen med silicium. Holdet, ledet af prof. Ying Xue, forskningsassistentprofessor og prof. Kei May Lau, forskningsprofessor i afdelingen for nye interdisciplinære områder (EMIA), tacklede denne udfordring ved at finde en måde at få III-V-enheder til at fungere effektivt med silicium .

De udviklede en teknik kaldet lateral aspect ratio trapping (LART) - en ny selektiv direkte epitaksimetode, der selektivt kan dyrke III-V-materialer på silicium-på-isolator (SOI) i en lateral retning uden behov for tykke buffere.

Selvom ingen integrationsmetoder rapporteret i litteraturen kunne løse udfordringen med høj koblingseffektivitet og høj produktionsvolumen, opnåede deres metode en III-V-laser i plan, så III-V-laseren kan kobles med Si i samme plan, hvilket er effektiv.

"Vores tilgang adresserede uoverensstemmelsen mellem III-V-enheder og Si. Den opnåede fremragende ydeevne af III-V-enheder og gjorde det nemt og effektivt at koble III-V med Si," sagde prof. Xue.

I de seneste årtier er datatrafik vokset eksponentielt drevet af nye teknologier, såsom big data, cloud-applikationer og sensorer. Området for integrerede kredsløb (IC'er), også kendt som mikroelektronik, har muliggjort denne vækst ved at gøre elektroniske enheder mindre og hurtigere takket være Moores lov, en observation af, at antallet af transistorer på en mikrochip fordobles cirka hvert andet år. Men den fortsatte eksplosion af datatrafik har skubbet traditionelle elektroniske enheder til deres grænser.

Starten på Zettabyte-æraen i 2016 indledte en voldsom vækst i datagenerering, -behandling, -transmission, -lagring og -aflæsning. Denne stigning i data udgør kritiske udfordringer med hastighed, båndbredde, omkostninger og strømforbrug. Det er her fotonisk integration, især Si-fotonik, kommer ind.

I de næste trin planlægger teamet at vise, at III-V-lasere integreret med siliciumbølgeledere kan fungere godt, som ved at have en lav tærskel, høj udgangseffekt, lang levetid og evnen til at fungere ved høje temperaturer.

Der er vigtige videnskabelige udfordringer at løse, før denne teknik kan bruges i det virkelige liv, sagde hun. Men det vil muliggøre den nye generation af kommunikation og forskellige nye applikationer og forskningsområder, herunder supercomputere, kunstig intelligens (AI), biomedicin, automobilapplikationer og neurale og kvantenetværk.

Undersøgelsen blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Laser &Photonics Reviews .

Flere oplysninger: Ying Xue et al., In-Plane 1,5 µm distribuerede feedback-lasere selektivt dyrket på (001) SOI (Laser Photonics Rev. 18(1)/2024), Laser &Photonics Reviews (2024). DOI:10.1002/lpor.202470006

Leveret af Hong Kong University of Science and Technology