【光电集成】港科大团队实现III-V族半导体与硅的有效耦合,打破硅基光子半导体性能限制

今日光电 2024-04-13 18:01

今日光电

     有人说,20世纪是电的世纪,21世纪是光的世纪;知光解电,再小的个体都可以被赋能。追光逐电,光赢未来...欢迎来到今日光电!




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近几十年以来,伴随着大数据、传感器、云应用等多种新兴技术的快速发展,数据流量也呈现出指数级增长的态势。(编者注:数据流量指的是通过计算机网络传输的数据量,一般用比特或字节等单位进行衡量。)


使用电子电路的传统集成电路,通过摩尔定律推动电子器件的体积缩小、性能增加,从而推动数据流量的进一步增长。


根据摩尔定律,电子器件上可以容纳的晶体管数量,大概每两年增加一倍。而数据流量的不断激增,给电子器件的带宽、速度、成本和功耗等诸多方面都带来了较大的挑战。


换言之,传统电子设备的发展即将到达极限。


此时,使用光子或光粒子将光与电子进行结合的光子集成电路,尤其是硅基光电子器件,因能够建立高速、低成本的连接,并实现对大量数据的一次性处理,在数据通信领域具有显著优势。


从硅基光电子学技术目前的发展来看,以硅材料为基础的微电子器件已经能够处理被动光学功能,但却很难有效地完成主动任务,比如产生光(激光)或检测光(光电探测器)等数据生成和读取时需要用到的关键步骤。


那么,要想在完成主动功能的同时增强器件的性能,就必须在硅基底上集成 III-V 族半导体化合物,也就是元素周期表中 III 族和 V 族的材料。


可问题是,如今 III-V 族半导体化合物还无法与硅实现良好的配合。


近期,来自香港科技大学的薛莹研究助理教授和该校刘纪美(Kei-May Lau)教授,带领团队设计出一种名为横向纵横比捕获(lateral aspect ratio trapping,LART)的方法。


图丨薛莹(来源:资料图)

据介绍,其作为一种选择性直接外延生长的技术,能够在不需要厚缓冲层的条件下,在绝缘的硅衬底(silicon-on-insulator,SOI)上,横向选择性地生长 III-V 族材料。


基于该技术,研究人员在 SOI 晶圆上制造了 III-V 分布式反馈激光器,能与硅层呈共平面配置,实现 III-V 族激光器与硅波导之间的高效耦合。

另外,这种特殊的 III-V 族绝缘层结构,还为激光器提供了良好的光学约束。

据了解,该光泵浦分布式反馈激光器具有约 17.5µJcm-2 的低激光阈值、1.5µm 的稳定单模激光、超过 35dB 的边模抑制比和 0.7 的自发辐射系数。

这些数据结果也充分表明,单片生长激光器在晶圆级硅光子集成电路方面迈出了重要一步,或将推动集成硅基光电子学领域的发展。


近日,相关论文以《在(001)SOI 上选择性生长的面内 1.5µm 分布式反馈激光器》(In-Plane 1.5 µm Distributed Feedback Lasers Selectively Grown on(001)SOI)为题在 Laser & Photonics Reviews 上发表,并被选为期刊封面[1]。薛莹是第一作者,刘纪美担任通讯作者。


图丨相关论文(来源:Laser & Photonics Reviews


“我们的方法解决了 III-V 族器件与硅的不匹配问题,实现了 III-V 族器件的优异性能,并使 III-V 族器件与硅的耦合变得更加高效。”薛莹对媒体表示。


图丨Laser & Photonics Reviews 期刊当期封面(来源:Laser & Photonics Reviews


不过,需要说明的是,虽然该技术有望在传感和激光雷达、生物医学、人工智能、神经和量子网络等研究领域获得应用,但要想将它更好地应用于现实生活,还必须克服一些关键的科学挑战。


因此,基于目前的研究,该课题组打算从高输出功率、长寿命、低阈值、高温下工作等维度入手,进一步增强与硅波导集成的 III-V 族激光器的能力。


另外,值得一提的是,薛莹目前的研究兴趣主要集中在集成光子学、电子光子集成电路、硅光子学、纳米光子学等领域,并已经在以高效、可扩展和低成本的方式,缓解基于硅的光子集成电路的性能限制方面,做出了重要突破与创新。


基于此,她曾在近期荣获 2023 年 Optica 基金会挑战赛资助的 10 万美元奖金,该奖项旨在表彰 10 名在利用光学和光子学,并解决全球问题方面具有杰出想法的早期职业专业人员。显而易见,这笔资助将有助于推进她接下来的研究。


参考资料:

1. Xue, Y., Li, J., Wang, Y., Xu, K., Xing, Z., Wong, K.S., Tsang, H.K. and Lau, K.M.In-Plane 1.5 µm Distributed Feedback Lasers Selectively Grown on (001) SOI (Laser Photonics Rev. 18(1)/2024). Laser & Photonics Reviews 18: 2470006(2024). https://doi.org/10.1002/lpor.202470006

https://www.eurekalert.org/news-releases/1034653

https://hkust.edu.hk/news/research-and-innovation/hkust-researchers-develop-new-integration-technique-efficient-coupling

https://news.hkust.edu.hk/news/prof-ying-xue-won-us100000-optica-foundation-challenge-2023



来源:逍遥设计自动化



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