За последние несколько лет трафик данных рос в геометрической прогрессии благодаря различным приложениям и новым технологиям, таким как большие данные, автомобили, облачные приложения и датчики. Для решения этих проблем широко исследовалась Si-фотоника в качестве основной технологии, позволяющей расширять и усиливать передачу данных с помощью энергоэффективных, высокопроизводительных и недорогих оптических межсоединений. В то время как пассивные компоненты на основе кремния хорошо зарекомендовали себя на платформе Si-photonics, лазеры и фотоприемники не могут быть реализованы с помощью кремния и требуют интеграции других материалов, таких как составные полупроводники III-V на кремнии.

III-V лазеры и фотоприемники на кремнии были исследованы двумя основными методами. Первый из них - это метод, основанный на склеивании, который позволил получить устройства с впечатляющей производительностью. Однако для этого требуется сложная технология производства, которая отличается низким выходом и высокой стоимостью, что делает массовое производство очень сложным. Другой способ - метод прямой эпитаксии путем выращивания нескольких слоев III-V на кремнии. Хотя это обеспечивает решение с более низкой стоимостью, большей масштабируемостью и более высокой плотностью интеграции, буферные слои III-V толщиной в микрометры, которые имеют решающее значение для этого метода, препятствуют эффективному взаимодействию света между III-V и кремнием - ключом к интегрированной Si-фотонике.

Для решения этих проблем команда, возглавляемая проф. Кей-Мэй ЛАУ, почетный профессор кафедры электронной и вычислительной техники Гонконгского университета науки и технологий (HKUST), разработала улавливание латерального соотношения сторон (LART) - новый метод селективной прямой эпитаксии, который позволяет селективно выращивать материалы III-V класса на кремнии на изоляторе (SOI) в боковое направление без необходимости использования толстых буферов. Кроме того, на основе этой новой технологии команда разработала и продемонстрировала уникальную интеграцию фотоприемников III-V в плоскости и кремниевых элементов с высокой эффективностью связи между III-V и кремнием. По сравнению с коммерческими фотоприемниками, производительность фотоприемников при таком подходе менее шумная, более чувствительная и имеет более широкий диапазон работы, с рекордно высокой скоростью более 112 Гбит / с - намного быстрее, чем у существующих продуктов. Впервые устройства III-V могут быть эффективно соединены с элементами Si путем прямой эпитаксии. Стратегия интеграции может быть легко применена к интеграции различных устройств III-V и компонентов на основе Si, что позволяет достичь конечной цели интеграции фотоники с электроникой на платформе silicon photonics для передачи данных.

"Это стало возможным благодаря нашей последней разработке новой технологии роста под названием lateral aspect ratio trapping (LART) и нашему уникальному дизайну стратегии сопряжения на платформе SOI. Объединенный опыт нашей команды и понимание как физики устройства, так и механизмов роста позволяют нам выполнить сложную задачу эффективного сопряжения между III-V и Si и перекрестно-коррелированного анализа эпитаксиального роста и производительности устройства", - сказал профессор Лау. "Эта работа предоставит практические решения для фотонных интегральных схем и полностью интегрированной Si-фотоники, с помощью этого метода может быть реализована световая связь между лазерами III-V и компонентами Si", - сказал доктор Ин Сюэ, первый автор исследования.

Это совместная работа с исследовательской группой, возглавляемой проф. Хон Ки Цанг с кафедры электронной инженерии Китайского университета Гонконга (CUHK) и исследовательская группа во главе с проф. Синьлун Цай из школы электроники и информационных технологий Университета Сунь Ятсена (SYSU). Технология изготовления устройства в работе была разработана на заводе HKUST по изготовлению наносистем (NFF) в кампусе Clear Water Bay. Работа поддержана Советом по исследовательским грантам Гонконга и Фондом инновационных технологий Гонконга. Эта работа недавно была опубликована в Оптика.