Forskare från Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) har rapporterat världens första 1,5 μm III-V-lasrar direkt odlade på industristandarden 220 nm SOI (kisel-på-isolatorer) wafers utan buffert, potentiellt bana en öppning till den "heliga gralen" för nuvarande kisel (Si-) fotonikforskning.

Överbryggar sömlöst de aktiva III-V-ljuskällorna med de passiva Si-baserade fotoniska enheterna, demonstrationen skulle kunna användas som ljuskällor i integrerade kretsar för att avsevärt förbättra kretshastigheten, energieffektivitet och kostnadseffektivitet.

I andra konventionella metoder för att integrera III-V-lasrar på Si i litteraturen, tjocka III-V buffertar upp till några mikrometer används för att minska defektdensiteterna, vilket innebär stora utmaningar för effektiv ljusgränssnitt mellan de epitaxiella III-V-lasrarna och de Si-baserade vågledarna.

För första gången i historien, forskargruppen ledd av professor Lau Kei-May vid HKUST:s avdelning för elektronik- och datateknik och postdoktor Dr. Han Yu utarbetade ett nytt tillväxtschema för att eliminera kravet på tjocka III-V-buffertar och främjade därmed effektiv ljuskoppling till Si-vågledarna. Den buffertlösa funktionen pekar på en helt integrerad Si-baserad fotonisk integrerad krets.

Det har möjliggjort den första demonstrationen av 1,5 μm III-V-lasrar som odlats direkt på industristandarden 220 nm SOI-skivor med hjälp av metallorganisk kemisk ångavsättning (MOCVD). Tidigare demonstrationer krävde icke-industristandard bulk Si eller tjocka SOI wafers.

Forskningsresultaten publicerades nyligen online i Optica i februari 2020.

Världens växande aptit på internettjänster och digitaliseringen av våra liv leder till att en enorm mängd digital data genereras, bearbetade, lagrat, och överförs.

Kisel är det mest använda materialet vid tillverkning av halvledare, som är inbäddade i nästan varje del av kommunikationsteknik som vi litar på varje dag, från datorer och smartphones till datacenter och satellitkommunikation.

Men effektivitetsförbättringar hos konventionella elektroniska datasystem kan inte hinna med den skyhöga datatrafiken, vilket kräver integrering av fotoniska funktioner på den konventionella Si-baserade elektroniska plattformen. Integrationen skulle kunna producera optoelektroniska integrerade kretsar med oöverträffad hastighet och funktionalitet, och aktivera nya applikationer.

Ändå innebär grundläggande skillnader mellan Si- och III-V-material att det är extremt utmanande att direkt odla III-V-funktioner på Si-plattformen.

Prof. Laus grupp vid HKUSTs Phonics Technology Center har strävat efter att integrera III-V-material och funktioner på vanliga kiselskivor i över ett decennium, innovativa och optimera olika metoder för att förbättra prestandan hos III-V-lasrar som odlas på Si, med målet att gradvis närma sig branschens krav. Detta arbete är en del av deras projekt om monolitisk integration av III-V-lasrar på kisel.

Deras metod gjorde att de först utformade ett unikt tillväxtschema för att direkt odla III-V-material av hög kvalitet på industristandarden 220 SOI-plattformar. Sedan, de karakteriserade och visade den utmärkta kristallina kvaliteten hos dessa epitaxiella III-V-material genom omfattande transmissionselektronmikroskopi och fotoluminescensmätningar. Teamet designade och tillverkade de luftklädda laserhålrummen baserat på numeriska simuleringar och de testade så småningom enheterna som visade att lasrarna kunde upprätthålla rumstemperatur och lågtröskellasring i det tekniskt viktiga 1,5 μm-bandet under optisk excitation.

Demonstrationen leder till möjligheten och potentialen att monolitiskt integrera III-V-lasrar på industristandarden 220 nm SOI-skivor på en ekonomisk, kompakt, och skalbart sätt.

Prof. Lau sa:"Om det är praktiskt tillämpat, vår teknik skulle kunna möjliggöra en betydande förbättring av hastigheten, Energiförbrukning, kostnadseffektivitet, och funktionalitet hos nuvarande Si-baserade integrerade kretsar. Våra dagliga elektroniska enheter, som smartphones, bärbara datorer och TV-apparater – i princip allt som är anslutet till internet – kommer att vara mycket snabbare, billigare, använder mycket mindre kraft och multifunktionell."

Dr. Han tillade:"Nästa steg i vår forskning kommer att vara att designa och demonstrera de första elektriskt drivna 1,5 μm III-V-lasrarna som odlas direkt på 220 nm SOI-plattformarna, och utforma ett schema för att effektivt koppla ljus från III-V-lasrarna till Si-vågledare och därigenom konceptuellt demonstrera helt integrerade Si-fotonikkretsar."