近日，香港科技大学的研究人员开发了一种新颖的集成方案，通过选择性直接外延在硅光子学（Si-photonics）平台上将III-V族化合物半导体器件和硅组件有效耦合，释放了将节能光子学与具有成本效益的电子产品相结合的潜力，有望以低成本、高速、大容量实现下一代电信。图1 生长于SOI上的高性能硅波导耦合III-V光电探测器示意图
在过去几年中，数据流量在大数据、汽车、云应用程序和传感器等各种应用和新兴技术的推动下呈指数级增长。为了解决这些问题，硅光子学作为一种核心技术被广泛研究，通过节能、大容量和低成本的光学互连实现、增加数据传输。虽然硅基无源元件已经在硅光子学平台上建立了良好的基础，但激光器和光电探测器无法通过硅实现，并且需要在硅上集成其他材料，例如III-V族化合物半导体等。硅上的III-V族激光器和光电探测器已经通过两种主要方法进行了研究。第一种是基于键合的方法，该方法已经产生了具有令人印象深刻的性能的器件。然而，它需要复杂的制造技术，产量低，成本高，使大规模生产非常具有挑战性。另一种方法是通过在硅上生长多层III-V的直接外延方法。虽然它提供了一种成本更低、可扩展性更大、集成密度更高的解决方案，但对这种方法至关重要的微米级III-V缓冲层阻碍了III-V族和硅之间的高效光耦合——这是集成硅光子学的关键。为了解决这些问题，由香港科技大学电子及计算机工程学系名誉教授刘纪美教授领导的团队开发了横向纵横比捕获（LART），这是一种新颖的选择性直接外延方法，可以在绝缘体上硅（SOI）上选择性地横向生长III-V族材料，而无需厚缓冲层。
此外，基于这项新技术，该团队设计并展示了III-V族光电探测器和硅元件的独特面内集成，III-V族和硅之间的耦合效率很高。与商用光电探测器相比，提出的新型光电探测器噪声更小，灵敏度更高，工作范围更广，数据传输速度超过112Gb/s，创下记录，远快于现有产品。
III-V族器件首次可以通过直接外延与Si元素高效耦合。该集成策略可以很容易地应用于各种III-V族器件和硅基元件的集成，从而实现在硅光子学平台上将光子学与电子学集成以进行数据通信的最终目标。刘教授表示：“这得益于我们最新开发的名为横向纵横比捕获（LART）的新型生长技术以及我们在SOI平台上独特的耦合策略设计。我们团队在器件物理和生长机制方面的综合专业知识和见解使我们能够完成III-V族和Si之间的有效耦合，以及外延生长和器件性能的交叉相关分析的挑战性任务。”该研究的第一作者薛莹博士说：“这项工作将为光子集成电路和全集成的Si-photonic提供实用的解决方案，III-V激光器和Si组件之间的有效耦合有望通过这种方法实现。”这项工作最近以“High-speed and low dark current silicon-waveguide-coupled III-V photodetectors selectively grown on SOI”为题发表在Optica期刊上。论文链接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.468129延伸阅读：
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
