I ricercatori dell'Università della Scienza e della Tecnologia di Hong Kong (HKUST) hanno sviluppato una nuova tecnica di integrazione per l'integrazione efficiente di dispositivi semiconduttori composti III-V e silicio, aprendo la strada all'integrazione fotonica a basso costo, grande volume e alta velocità e produttività che potrebbe rivoluzionare la comunicazione dei dati.
A differenza dei circuiti integrati convenzionali, o microchip, che utilizzano elettroni, i circuiti integrati fotonici utilizzano fotoni o particelle di luce. L'integrazione fotonica combina luce ed elettronica per accelerare il trasferimento dei dati. La fotonica del silicio (Si-fotonica), in particolare, è in prima linea in questa rivoluzione poiché consente la creazione di connessioni ad alta velocità e a basso costo in grado di gestire enormi quantità di dati contemporaneamente.
Sebbene il silicio possa gestire funzioni ottiche passive, ha difficoltà con compiti attivi, come generare luce (laser) o rilevarla (fotorivelatori), entrambi componenti chiave per la generazione e la lettura dei dati. Ciò richiede l'integrazione del semiconduttore III-V (che utilizza materiali dei gruppi III e V della tavola periodica) su un substrato di silicio per una funzionalità completa e una maggiore efficienza.
Ma mentre i semiconduttori III-V svolgono bene i compiti attivi, naturalmente non funzionano bene con il silicio. Il team, guidato dal Prof. Ying Xue, Professore assistente di ricerca e dal Prof. Kei May Lau, Professore di ricerca della Divisione delle aree interdisciplinari emergenti (EMIA), ha affrontato questa sfida trovando un modo per far funzionare in modo efficiente i dispositivi III-V con il silicio .
Hanno sviluppato una tecnica chiamata trapping del rapporto d'aspetto laterale (LART), un nuovo metodo di epitassia diretta selettiva che può far crescere selettivamente materiali III-V su silicio su isolante (SOI) in una direzione laterale senza la necessità di buffer spessi.
Sebbene nessun metodo di integrazione riportato in letteratura possa risolvere la sfida con un'elevata efficienza di accoppiamento e un elevato volume di produzione, il loro metodo ha ottenuto un laser III-V nel piano, in modo che il laser III-V possa accoppiarsi con Si nello stesso piano, che è efficiente.
"Il nostro approccio ha affrontato la discrepanza tra i dispositivi III-V e il Si. Ha ottenuto prestazioni eccellenti dei dispositivi III-V e ha reso semplice ed efficiente l'accoppiamento tra III-V e Si", ha affermato il prof. Xue.
Negli ultimi decenni, il traffico dati è cresciuto in modo esponenziale grazie alle tecnologie emergenti, come big data, applicazioni cloud e sensori. Il campo dei circuiti integrati (IC), noto anche come microelettronica, ha consentito questa crescita rendendo i dispositivi elettronici più piccoli e più veloci grazie alla Legge di Moore, l'osservazione secondo cui il numero di transistor su un microchip raddoppia circa ogni due anni. Ma la continua esplosione del traffico dati ha spinto i dispositivi elettronici tradizionali al limite.
L’inizio dell’era Zettabyte nel 2016 ha inaugurato una crescita vertiginosa nella generazione, elaborazione, trasmissione, archiviazione e lettura dei dati. Questo aumento dei dati pone sfide cruciali in termini di velocità, larghezza di banda, costi e consumo energetico. È qui che entra in gioco l'integrazione fotonica, in particolare la Si-fotonica.
Nei prossimi passi, il team intende dimostrare che i laser III-V integrati con guide d'onda al silicio possono funzionare bene, poiché hanno una soglia bassa, un'elevata potenza di uscita, una lunga durata e la capacità di funzionare a temperature elevate.
Ci sono sfide scientifiche fondamentali da affrontare prima che questa tecnica possa essere utilizzata nella vita reale, ha affermato. Ma consentirà comunicazioni di nuova generazione e varie applicazioni e aree di ricerca emergenti, tra cui supercomputer, intelligenza artificiale (AI), biomedicina, applicazioni automobilistiche e reti neurali e quantistiche.
Lo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista Laser &Photonics Reviews .
Ulteriori informazioni: Ying Xue et al, Laser a feedback distribuito in piano da 1,5 µm cresciuti selettivamente su (001) SOI (Laser Photonics Rev. 18(1)/2024), Recensioni su laser e fotonica (2024). DOI:10.1002/lpor.202470006
Fornito dall'Università della Scienza e della Tecnologia di Hong Kong
