Pesquisadores desenvolvem um novo esquema de integração para acoplamento eficiente entre III-V e silício – Strong The One

Nos últimos anos, o tráfego de dados tem crescido exponencialmente impulsionado por várias aplicações e técnicas emergentes, como big data, automóveis, aplicativos em nuvem e sensores. Para resolver os problemas, a Si-fotônica tem sido amplamente investigada como uma tecnologia central para permitir, estender e aumentar a transmissão de dados por meio de interconexões ópticas de alta capacidade e baixo custo com eficiência energética. Embora os componentes passivos baseados em silício tenham sido bem estabelecidos na plataforma Si-fotônica, os lasers e fotodetectores não podem ser realizados por silício e necessitam da integração de outros materiais, como semicondutores compostos III-V em silício.

Lasers III-V e fotodetectores em silício têm sido investigados por dois métodos principais. O primeiro é o método baseado em colagem, que tem produzido dispositivos com desempenho impressionante. No entanto, requer técnicas de fabricação complicadas de baixo rendimento e alto custo, tornando a produção em massa muito desafiadora. A outra maneira é o método de epitaxia direta, cultivando múltiplas camadas de III-V em silício. Embora forneça uma solução com menor custo, maior escalabilidade e maior densidade de integração, as camadas intermediárias III-V de micrômetros de espessura, cruciais para este método, impedem o acoplamento de luz eficiente entre III-V e silício – a chave para Si-fotônica integrada.

Para resolver essas questões, a equipe liderada pelo Prof. Kei-May LAU, Professor Emérito do Departamento de Engenharia Eletrônica e de Computação da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST), desenvolveu a captura lateral de relação de aspecto (LART) — um novo método de epitaxia direta seletiva que pode crescer seletivamente materiais III-V em silício sobre isolador (SOI) em uma direção lateral sem a necessidade de tampões espessos. Além disso, com base nessa nova tecnologia, a equipe concebeu e demonstrou a integração in-plane exclusiva de fotodetectores III-V e elementos de silício com alta eficiência de acoplamento entre III-V e silício. Em comparação com os comerciais, o desempenho dos fotodetectores por essa abordagem é menos ruidoso, mais sensível e tem uma faixa de operação mais ampla, com velocidade recorde de mais de 112 Gb/s – muito mais rápido que os produtos existentes. Pela primeira vez, os dispositivos III-V podem ser acoplados de forma eficiente com elementos de Si por epitaxia direta. A estratégia de integração pode ser facilmente aplicada à integração de vários dispositivos III-V e componentes baseados em Si, permitindo assim o objetivo final de integrar a fotônica com a eletrônica na plataforma fotônica de silício para comunicações de dados.

“Isto foi possível graças ao nosso desenvolvimento mais recente de uma nova técnica de crescimento chamada interceptação de taxa de aspecto lateral (LART) e nosso design exclusivo de estratégia de acoplamento na plataforma SOI. A experiência e os insights combinados de nossa equipe sobre a física do dispositivo e os mecanismos de crescimento nos permitem realizar a tarefa desafiadora de acoplamento eficiente entre III-V e Si e análise de correlação cruzada de crescimento epitaxial e desempenho do dispositivo”, disse o Prof. Lau. “Este trabalho fornecerá soluções práticas para circuitos integrados fotônicos e Si-fotônica totalmente integrada, acoplamento de luz entre lasers III-V e componentes de Si pode ser realizado por meio deste método”, disse o Dr. Ying Xue, primeiro autor do estudo.

Este é um trabalho colaborativo com uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Hon Ki Tsang do Departamento de Engenharia Eletrônica da Universidade Chinesa de Hong Kong (CUHK) e uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Xinlun Cai da Escola de Eletrônica e Tecnologia da Informação em Sun Yat -sen University (SYSU). A tecnologia de fabricação do dispositivo no trabalho foi desenvolvida na Nanosystem Fabrication Facility (NFF) da HKUST no campus de Clear Water Bay. O trabalho é apoiado pelo Conselho de Bolsas de Pesquisa de Hong Kong e Fundo de Tecnologia de Inovação de Hong Kong. Este trabalho foi recentemente publicado em Óptica.

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Materiais fornecidos por Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.