Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) han desarrollado recientemente un esquema de integración novedoso para el acoplamiento eficiente entre dispositivos semiconductores compuestos III-V y componentes de silicio en una plataforma de fotónica de silicio (Si-fotónica) mediante epitaxia directa selectiva, desbloqueando el potencial de integrar fotónica energéticamente eficiente con electrónica rentable, así como habilitar las telecomunicaciones de próxima generación con bajo costo, alta velocidad y gran capacidad.

En los últimos años, el tráfico de datos ha crecido exponencialmente impulsado por diversas aplicaciones y técnicas emergentes, como big data, automóviles, aplicaciones en la nube y sensores. Para abordar los problemas, la fotónica de silicio ha sido ampliamente investigada como una tecnología central para permitir, extender y aumentar la transmisión de datos a través de interconexiones ópticas de bajo costo, alta capacidad y eficiencia energética. los láseres y los fotodetectores no pueden realizarse con silicio y requieren la integración de otros materiales, como los semiconductores compuestos III-V en silicio.

Los láseres y fotodetectores III-V en silicio se han investigado mediante dos métodos principales. El primero es el método basado en la vinculación que ha producido dispositivos con un rendimiento impresionante. Sin embargo, requiere una técnica de fabricación complicada que es de bajo rendimiento y alto costo, lo que hace que la producción en masa sea un gran desafío. La otra forma es el método de epitaxia directa mediante el crecimiento de múltiples capas de III-V en silicio. Si bien proporciona una solución con menor costo, mayor escalabilidad y mayor densidad de integración, las capas intermedias III-V de micrómetros de espesor que son cruciales para este método dificultan el acoplamiento eficiente de la luz entre III-V y el silicio, la clave para la fotónica de Si integrada.

Para abordar estos problemas, el equipo dirigido por el profesor Kei-May LAU, profesor emérito del Departamento de Ingeniería Electrónica e Informática de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST), desarrolló la captura de relación de aspecto lateral (LART), una nueva método de epitaxia directa selectiva que puede hacer crecer selectivamente materiales III-V en silicio sobre aislante (SOI) en una dirección lateral sin necesidad de amortiguadores gruesos. Además, basándose en esta tecnología novedosa, el equipo ideó y demostró una integración en el plano única de fotodetectores III-V y elementos de silicio con alta eficiencia de acoplamiento entre III-V y el silicio. En comparación con los comerciales, el rendimiento de los fotodetectores con este enfoque es menos ruidoso, más sensible y tiene un rango de operación más amplio, con una velocidad récord de más de 112 Gb/s, mucho más rápido que los productos existentes. Por primera vez, los dispositivos III-V pueden acoplarse eficientemente con elementos de Si por epitaxia directa. La estrategia de integración se puede aplicar fácilmente a la integración de varios dispositivos III-V y componentes basados ​​en Si, lo que permite el objetivo final de integrar la fotónica con la electrónica en una plataforma de fotónica de silicio para comunicaciones de datos.

«Esto fue posible gracias a nuestro último desarrollo de una técnica de crecimiento novedosa llamada captura de relación de aspecto lateral (LART) y nuestro diseño único de estrategia de acoplamiento en la plataforma SOI. La experiencia y los conocimientos combinados de nuestro equipo sobre la física del dispositivo y los mecanismos de crecimiento nos permiten lograr la desafiante tarea del acoplamiento eficiente entre III-V y Si y el análisis de correlación cruzada del crecimiento epitaxial y el rendimiento del dispositivo», dijo el Prof. Lau. «Este trabajo proporcionará soluciones prácticas para los circuitos fotónicos integrados y la fotónica de Si completamente integrada, el acoplamiento de luz entre los láseres III-V y los componentes de Si se puede realizar a través de este método», dijo el Dr. Ying Xue, primer autor del estudio.

Este es un trabajo colaborativo con un equipo de investigación dirigido por el Prof. Hon Ki Tsang del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad China de Hong Kong (CUHK) y un equipo de investigación dirigido por el Prof. Xinlun Cai de la Escuela de Electrónica y Tecnología de la Información en Sun Yat. -Universidad del Sen (SYSU). La tecnología de fabricación de dispositivos en el trabajo se desarrolló en la Instalación de Fabricación de Nanosistemas (NFF) de HKUST en el campus de Clear Water Bay. El trabajo cuenta con el apoyo del Consejo de Subvenciones de Investigación de Hong Kong y el Fondo de Tecnología de Innovación de Hong Kong. Este trabajo ha sido publicado recientemente en Optica.