Des chercheurs de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) ont récemment mis au point un nouveau schéma d’intégration pour un couplage efficace entre les dispositifs semi-conducteurs composés III-V et les composants en silicium sur une plate-forme photonique en silicium (Si-photonique) par épitaxie directe sélective, libérant le potentiel d’intégrer la photonique économe en énergie à l’électronique rentable, ainsi que de permettre les télécommunications de nouvelle génération à faible coût, à grande vitesse et à grande capacité.
Au cours des dernières années, le trafic de données a connu une croissance exponentielle grâce à diverses applications et techniques émergentes telles que les mégadonnées, les automobiles, les applications cloud et les capteurs. Pour résoudre ces problèmes, la Si-photonique a été largement étudiée en tant que technologie de base pour permettre, étendre et augmenter la transmission de données via des interconnexions optiques économes en énergie, à haute capacité et à faible coût.
Alors que les composants passifs à base de silicium se sont bien établis sur la plate-forme Si-photonique, les lasers et les photodétecteurs ne peuvent pas être réalisés en silicium et nécessitent l’intégration d’autres matériaux tels que les semi-conducteurs composés III-V sur silicium.
Les lasers et photodétecteurs III-V sur silicium ont été étudiés par deux méthodes principales. La première est la méthode basée sur la liaison qui a donné des appareils aux performances impressionnantes. Cependant, cela nécessite une technique de fabrication compliquée à faible rendement et à coût élevé, ce qui rend la production de masse très difficile.
L’autre voie est la méthode d’épitaxie directe en faisant croître plusieurs couches de III-V sur du silicium. Bien qu’elle offre une solution à moindre coût, une plus grande évolutivité et une densité d’intégration plus élevée, les couches tampons III-V d’épaisseur micrométrique qui sont cruciales pour cette méthode entravent un couplage efficace de la lumière entre III-V et le silicium, la clé de la Si-photonique intégrée.
Pour résoudre ces problèmes, l’équipe dirigée par le professeur Kei-May LAU, professeur émérite du Département de génie électronique et informatique de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST), a développé le piégeage du rapport d’aspect latéral (LART) – un nouveau système sélectif méthode d’épitaxie directe qui peut faire croître sélectivement des matériaux III-V sur du silicium sur isolant (SOI) dans une direction latérale sans avoir besoin de tampons épais.
De plus, sur la base de cette nouvelle technologie, l’équipe a conçu et démontré une intégration dans le plan unique de photodétecteurs III-V et d’éléments en silicium avec une efficacité de couplage élevée entre III-V et le silicium. Par rapport aux photodétecteurs commerciaux, les performances des photodétecteurs par une telle approche sont moins bruyantes, plus sensibles et ont une plage de fonctionnement plus large, avec une vitesse record de plus de 112 Gb/s, bien plus rapide que les produits existants.
Pour la première fois, les dispositifs III-V peuvent être couplés efficacement avec des éléments Si par épitaxie directe. La stratégie d’intégration peut être facilement appliquée à l’intégration de divers dispositifs III-V et composants à base de Si, permettant ainsi l’objectif ultime d’intégrer la photonique à l’électronique sur une plate-forme photonique au silicium pour les communications de données.
« Cela a été rendu possible grâce à notre dernier développement d’une nouvelle technique de croissance appelée piégeage du rapport d’aspect latéral (LART) et à notre conception unique de stratégie de couplage sur la plate-forme SOI. L’expertise et les connaissances combinées de notre équipe sur la physique des dispositifs et les mécanismes de croissance nous permettent de accomplir la tâche difficile d’un couplage efficace entre III-V et Si et d’une analyse en corrélation croisée de la croissance épitaxiale et des performances du dispositif », a déclaré le professeur Lau.
« Ce travail fournira des solutions pratiques pour les circuits intégrés photoniques et la photonique Si entièrement intégrée, le couplage de la lumière entre les lasers III-V et les composants Si peut être réalisé grâce à cette méthode », a déclaré le Dr Ying Xue, premier auteur de l’étude.
Ce travail vient d’être publié dans Optique.
Plus d’information:
Ying Xue et al, Photodétecteurs III-V couplés à un guide d’ondes en silicium à haute vitesse et à faible courant d’obscurité cultivés sélectivement sur SOI, Optique (2022). DOI : 10.1364/OPTICA.468129