Forskare vid Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) har utvecklat en ny integrationsteknik för effektiv integration av III-V sammansatta halvledarenheter och kisel, vilket banar väg för fotonisk integration till låg kostnad, stor volym och hög hastighet och genomströmning som skulle kunna revolutionera datakommunikation.
Till skillnad från konventionella integrerade kretsar, eller mikrochips, som använder elektroner, använder fotoniska integrerade kretsar fotoner eller ljuspartiklar. Fotonisk integration kombinerar ljus och elektronik för att påskynda dataöverföringen. Särskilt kiselfotonik (Si-fotonik) ligger i framkant av denna revolution eftersom den möjliggör skapandet av höghastighetsanslutningar till låg kostnad som kan hantera enorma mängder data på en gång.
Även om kisel kan hantera passiva optiska funktioner, kämpar det med aktiva uppgifter, som att generera ljus (lasrar) eller detektera det (fotodetektorer) – båda nyckelkomponenterna för datagenerering och avläsning. Detta kräver integrering av III-V-halvledare (som använder material från grupperna III och V i det periodiska systemet) på ett kiselsubstrat för fullständig funktionalitet och ökad effektivitet.
Men även om III-V-halvledare gör de aktiva uppgifterna bra, fungerar de naturligtvis inte bra med kisel. Teamet, ledd av professor Ying Xue, forskningsassistent och professor Kei May Lau, forskningsprofessor vid avdelningen för framväxande interdisciplinära områden (EMIA), tacklade denna utmaning genom att hitta ett sätt att få III-V-enheter att fungera effektivt med kisel .
De utvecklade en teknik som kallas lateral aspect ratio trapping (LART) – en ny selektiv direkt epitaximetod som selektivt kan odla III-V-material på kisel-på-isolator (SOI) i sidled utan behov av tjocka buffertar.
Även om inga integrationsmetoder rapporterade i litteraturen kunde lösa utmaningen med hög kopplingseffektivitet och hög produktionsvolym, uppnådde deras metod en III-V-laser i planet, så att III-V-lasern kan kopplas med Si i samma plan, vilket är effektiv.
"Vårt tillvägagångssätt tog itu med bristen på överensstämmelse mellan III-V-enheter och Si. Det uppnådde utmärkta prestanda för III-V-enheter och gjorde det enkelt och effektivt att koppla III-V med Si," sa Prof. Xue.
Under de senaste decennierna har datatrafiken ökat exponentiellt drivet av framväxande teknologier, såsom big data, molnapplikationer och sensorer. Området för integrerade kretsar (IC), även känd som mikroelektronik, har möjliggjort den tillväxten genom att göra elektroniska enheter mindre och snabbare tack vare Moores lag, en observation att antalet transistorer på ett mikrochip fördubblas ungefär vartannat år. Men den fortsatta explosionen av datatrafik har drivit traditionella elektroniska enheter till sina gränser.
Starten av Zettabyte-eran 2016 inledde en skyhög tillväxt inom datagenerering, bearbetning, överföring, lagring och utläsning. Denna ökning av data ställer kritiska utmaningar för hastighet, bandbredd, kostnad och strömförbrukning. Det är här fotonisk integration, i synnerhet Si-fotonik, kommer in.
I nästa steg planerar teamet att visa att III-V-lasrar integrerade med kiselvågledare kan prestera bra, som att ha en låg tröskel, hög uteffekt, lång livslängd och förmågan att arbeta vid höga temperaturer.
Det finns viktiga vetenskapliga utmaningar att ta itu med innan denna teknik kan användas i verkligheten, sa hon. Men det kommer att möjliggöra den nya generationens kommunikation och olika framväxande tillämpningar och forskningsområden, inklusive superdatorer, artificiell intelligens (AI), biomedicin, fordonstillämpningar och neurala och kvantnätverk.
Studien publicerades nyligen i tidskriften Laser &Photonics Reviews .
Mer information: Ying Xue et al, In‐Plane 1,5 µm distribuerade återkopplingslasrar selektivt odlade på (001) SOI (Laser Photonics Rev. 18(1)/2024), Laser &Photonics Reviews (2024). DOI:10.1002/lpor.202470006
Tillhandahålls av Hong Kong University of Science and Technology
