Forscher entwickeln ein neuartiges Integrationsschema für eine effiziente Kopplung zwischen III-V und Silizium

Forscher der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) haben kürzlich ein neuartiges Integrationsschema für eine effiziente Kopplung zwischen III-V-Verbindungshalbleitergeräten und Siliziumkomponenten auf einer Silizium-Photonik-Plattform (Si-Photonik) durch selektive direkte Epitaxie entwickelt und damit das Potenzial erschlossen energieeffiziente Photonik mit kostengünstiger Elektronik zu integrieren sowie die Telekommunikation der nächsten Generation mit niedrigen Kosten, hoher Geschwindigkeit und großer Kapazität zu ermöglichen.

In den letzten Jahren ist der Datenverkehr exponentiell gewachsen, angetrieben durch verschiedene Anwendungen und neue Techniken wie Big Data, Automobile, Cloud-Anwendungen und Sensoren. Um diese Probleme anzugehen, wurde die Si-Photonik als Kerntechnologie umfassend untersucht, um die Datenübertragung durch energieeffiziente, hochleistungsfähige und kostengünstige optische Verbindungen zu ermöglichen, zu erweitern und zu verbessern.

Während passive Komponenten auf Siliziumbasis auf der Si-Photonik-Plattform gut etabliert sind, können die Laser und Fotodetektoren nicht durch Silizium realisiert werden und erfordern die Integration anderer Materialien wie III-V-Verbindungshalbleiter auf Silizium.

III-V-Laser und Fotodetektoren auf Silizium wurden mit zwei Hauptmethoden untersucht. Das erste ist das Bonding-basierte Verfahren, das Geräte mit beeindruckender Leistung hervorgebracht hat. Es erfordert jedoch eine komplizierte Herstellungstechnik mit geringer Ausbeute und hohen Kosten, was die Massenproduktion sehr herausfordernd macht.

Der andere Weg ist das direkte Epitaxieverfahren durch Aufwachsen mehrerer III-V-Schichten auf Silizium. Während es eine Lösung mit geringeren Kosten, größerer Skalierbarkeit und höherer Integrationsdichte bietet, behindern die mikrometerdicken III-V-Pufferschichten, die für diese Methode entscheidend sind, eine effiziente Lichtkopplung zwischen III-V und Silizium – dem Schlüssel für integrierte Si-Photonik.

Um diese Probleme anzugehen, entwickelte das Team unter der Leitung von Prof. Kei-May LAU, emeritierter Professor des Department of Electronic and Computer Engineering an der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), das Lateral-Aspekt-Ratio-Trapping (LART) – ein neuartiges selektives Trapping direktes Epitaxieverfahren, mit dem III-V-Materialien selektiv auf Silizium-auf-Isolator (SOI) in lateraler Richtung wachsen können, ohne dass dicke Puffer erforderlich sind.

Darüber hinaus entwickelte und demonstrierte das Team auf der Grundlage dieser neuartigen Technologie eine einzigartige In-Plane-Integration von III-V-Fotodetektoren und Siliziumelementen mit hoher Kopplungseffizienz zwischen III-V und Silizium. Im Vergleich zu kommerziellen ist die Leistung von Fotodetektoren mit einem solchen Ansatz weniger laut, empfindlicher und hat einen größeren Betriebsbereich mit einer Rekordgeschwindigkeit von über 112 Gb/s – viel schneller als bestehende Produkte.

Zum ersten Mal können die III-V-Bauelemente durch direkte Epitaxie effizient mit Si-Elementen gekoppelt werden. Die Integrationsstrategie kann leicht auf die Integration verschiedener III-V-Geräte und Si-basierter Komponenten angewendet werden, wodurch das ultimative Ziel der Integration von Photonik mit Elektronik auf einer Silizium-Photonik-Plattform für die Datenkommunikation ermöglicht wird.

„Möglich wurde dies durch unsere neueste Entwicklung einer neuartigen Wachstumstechnik namens Lateral-Aspect-Ratio-Trapping (LART) und unser einzigartiges Design der Kopplungsstrategie auf der SOI-Plattform. Das kombinierte Fachwissen und die Erkenntnisse unseres Teams sowohl in der Gerätephysik als auch in den Wachstumsmechanismen ermöglichen uns dies die herausfordernde Aufgabe der effizienten Kopplung zwischen III-V und Si und der kreuzkorrelierten Analyse des epitaxialen Wachstums und der Geräteleistung zu bewältigen“, sagte Prof. Lau.

„Diese Arbeit wird praktische Lösungen für photonische integrierte Schaltungen und vollständig integrierte Si-Photonik liefern, Lichtkopplung zwischen III-V-Lasern und Si-Komponenten kann durch diese Methode realisiert werden“, sagte Dr. Ying Xue, Erstautor der Studie.

Diese Arbeit ist kürzlich erschienen in Optik.