I ricercatori della Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hanno segnalato i primi laser III-V da 1,5 μm al mondo coltivati ​​direttamente su wafer SOI (silicon-on-insulators) da 220 nm standard del settore senza buffer, potenzialmente aprendo un'apertura al "Santo Graal" per l'attuale ricerca sulla fotonica del silicio (Si-).

Collegando perfettamente le sorgenti luminose III-V attive con i dispositivi fotonici passivi basati su Si, la dimostrazione potrebbe essere utilizzata come sorgenti luminose nei circuiti integrati per migliorare notevolmente la velocità del circuito, efficienza energetica ed economicità.

In altri approcci convenzionali di integrazione di laser III-V su Si in letteratura, tamponi spessi III-V fino a pochi micrometri vengono utilizzati per ridurre la densità dei difetti, che pone enormi sfide per l'interfacciamento della luce efficiente tra i laser epitassiali III-V e le guide d'onda a base di silicio.

Per la prima volta nella storia, il team di ricerca guidato dal Prof. Lau Kei-May del Dipartimento di Ingegneria Elettronica e Informatica dell'HKUST e il dottor Han Yu, borsista post-dottorato, ha ideato un nuovo schema di crescita per eliminare la necessità di spessi buffer III-V e quindi ha promosso un efficiente accoppiamento della luce in le guide d'onda Si. La funzione senza buffer punta a circuiti integrati fotonici basati su Si completamente integrati.

Ciò ha consentito la prima dimostrazione di laser III-V da 1,5 μm cresciuti direttamente sui wafer SOI da 220 nm standard del settore utilizzando la deposizione di vapore chimico organico metallico (MOCVD). Le precedenti dimostrazioni richiedevano wafer di silicio sfusi o SOI spessi non standard del settore.

I risultati della ricerca sono stati recentemente pubblicati online in ottica nel febbraio 2020.

Il crescente appetito del mondo per i servizi Internet e la digitalizzazione delle nostre vite porta alla generazione di una grande quantità di dati digitali, elaborato, immagazzinato, e trasmesso.

Il silicio è il materiale più utilizzato nella produzione di semiconduttori, che sono incorporati in quasi tutte le tecnologie di comunicazione su cui ci affidiamo ogni giorno, dai computer e smartphone ai datacenter e alle comunicazioni satellitari.

Ma i miglioramenti nell'efficienza dei sistemi di dati elettronici convenzionali non possono raggiungere l'impennata del traffico di dati, che richiede l'integrazione delle funzionalità fotoniche sulla piattaforma elettronica convenzionale basata su Si. L'integrazione potrebbe produrre circuiti integrati optoelettronici con velocità e funzionalità senza precedenti, e abilitare nuove applicazioni.

Tuttavia, le differenze fondamentali tra i materiali Si e III-V significano che è estremamente difficile far crescere direttamente le funzionalità III-V sulla piattaforma Si.

Il gruppo del Prof. Lau presso il Phonics Technology Center di HKUST ha cercato di integrare materiali e funzionalità III-V su wafer di silicio tradizionali per oltre un decennio, innovare e ottimizzare vari approcci per migliorare le prestazioni dei laser III-V cresciuti su Si, con l'obiettivo di avvicinarsi progressivamente alle esigenze del settore. Questo lavoro fa parte del loro progetto sull'integrazione monolitica di laser III-V su silicio.

Il loro metodo li ha visti prima ideare uno schema di crescita unico per coltivare direttamente materiali III-V di alta qualità sulle piattaforme 220 SOI standard del settore. Quindi, hanno caratterizzato e messo in evidenza l'eccellente qualità cristallina di questi materiali epitassiali III-V attraverso ampie misurazioni di microscopia elettronica a trasmissione e fotoluminescenza. Il team ha progettato e fabbricato le cavità laser rivestite d'aria sulla base di simulazioni numeriche e alla fine ha testato i dispositivi che hanno dimostrato che i laser potevano sostenere il laser a temperatura ambiente e a bassa soglia nella banda tecnologicamente importante di 1,5 μm sotto eccitazione ottica.

La dimostrazione porta alla possibilità e al potenziale di integrare monoliticamente laser III-V sui wafer SOI da 220 nm standard del settore in modo economico, compatto, e scalabile.

Il Prof. Lau ha detto:"Se applicato praticamente, la nostra tecnologia potrebbe consentire un significativo miglioramento della velocità, consumo di energia, efficacia dei costi, e funzionalità degli attuali circuiti integrati a base di Si. I nostri dispositivi elettronici quotidiani, come smartphone, laptop e TV, praticamente tutto ciò che è connesso a Internet, sarà molto più veloce, più economico, utilizzando molta meno energia e multifunzionale."

Il dott. Han ha aggiunto:"Il prossimo passo della nostra ricerca sarà progettare e dimostrare i primi laser III-V da 1,5 μm azionati elettricamente coltivati ​​direttamente sulle piattaforme SOI da 220 nm, e ideare uno schema per accoppiare in modo efficiente la luce dai laser III-V in guide d'onda Si e quindi dimostrare concettualmente circuiti Si-fotonici completamente integrati".