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    Primeros láseres III-V sin tampón de 1,5 μm cultivados directamente sobre obleas de silicio en Si-fotónica

    Esquema de la matriz de láser III-V cultivado directamente en la plataforma Si-photonics 220 nm SOI. Crédito:HKUST

    Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) han informado sobre los primeros láseres III-V de 1,5 μm del mundo cultivados directamente en obleas SOI (silicio sobre aislantes) de 220 nm estándar de la industria sin tampón, potencialmente allanando una apertura al "santo grial" para la investigación actual de la fotónica del silicio (Si-).

    Uniendo sin problemas las fuentes de luz activas III-V con los dispositivos fotónicos pasivos basados ​​en Si, la demostración podría implementarse como fuentes de luz en circuitos integrados para mejorar en gran medida la velocidad del circuito, eficiencia energética y rentabilidad.

    En otros enfoques convencionales de integración de láseres III-V en Si en la literatura, Se utilizan tampones III-V gruesos de hasta unos pocos micrómetros para reducir las densidades de defectos. que presenta enormes desafíos para una interfaz de luz eficiente entre los láseres epitaxiales III-V y las guías de onda basadas en Si.

    Por primera vez en la historia, El equipo de investigación dirigido por el profesor Lau Kei-May del Departamento de Ingeniería Electrónica e Informática de HKUST y el becario postdoctoral Dr. Han Yu ideó un esquema de crecimiento novedoso para eliminar el requisito de amortiguadores III-V gruesos y, por lo tanto, promovió un acoplamiento de luz eficiente en las guías de ondas de Si. La característica sin búfer apunta a un circuito integrado fotónico basado en Si totalmente integrado.

    Eso ha permitido la primera demostración de láseres III-V de 1,5 μm cultivados directamente en las obleas SOI de 220 nm estándar de la industria utilizando deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD). Las demostraciones anteriores requerían obleas de Si a granel o SOI gruesas que no eran estándar en la industria.

    Los resultados de la investigación se publicaron recientemente en línea en Optica en febrero de 2020.

    El creciente apetito del mundo por los servicios de Internet y la digitalización de nuestras vidas conduce a la generación de una gran cantidad de datos digitales, procesado, almacenado y transmitido.

    El silicio es el material más utilizado en la fabricación de semiconductores, que están integrados en casi todas las piezas de tecnología de comunicaciones en las que confiamos todos los días, desde computadoras y teléfonos inteligentes hasta centros de datos y comunicaciones por satélite.

    Pero las mejoras en la eficiencia de los sistemas de datos electrónicos convencionales no pueden ponerse al día con el tráfico de datos vertiginoso, lo que exige la integración de funcionalidades fotónicas en la plataforma electrónica convencional basada en Si. La integración podría producir circuitos integrados optoelectrónicos con una velocidad y funcionalidades incomparables, y habilitar nuevas aplicaciones.

    Sin embargo, las diferencias fundamentales entre los materiales Si y III-V significan que es extremadamente desafiante hacer crecer directamente las funcionalidades III-V en la plataforma Si.

    El grupo del profesor Lau en el Phonics Technology Center de HKUST se ha esforzado por integrar materiales y funcionalidades III-V en las obleas de silicio convencionales durante más de una década, innovar y optimizar varios enfoques para mejorar el rendimiento de los láseres III-V cultivados en Si, con el objetivo de acercarnos progresivamente a los requerimientos de la industria. Este trabajo es parte de su proyecto sobre integración monolítica de láseres III-V en silicio.

    Su método los vio primero diseñar un esquema de crecimiento único para cultivar directamente materiales III-V de alta calidad en las plataformas 220 SOI estándar de la industria. Luego, caracterizaron y evidenciaron la excelente calidad cristalina de estos materiales epitaxiales III-V a través de microscopía electrónica de transmisión extensa y mediciones de fotoluminiscencia. El equipo diseñó y fabricó las cavidades láser revestidas de aire basándose en simulaciones numéricas y, finalmente, probaron los dispositivos que demostraron que los láseres podían soportar la radiación láser a temperatura ambiente y bajo umbral en la banda tecnológicamente importante de 1,5 μm bajo excitación óptica.

    La demostración conduce a la posibilidad y el potencial de integrar monolíticamente láseres III-V en las obleas SOI de 220 nm estándar de la industria de una manera económica, compacto, y forma escalable.

    El profesor Lau dijo:"Si se aplica en la práctica, nuestra tecnología podría permitir una mejora significativa de la velocidad, el consumo de energía, rentabilidad, y funcionalidad de los circuitos integrados actuales basados ​​en Si. Nuestros dispositivos electrónicos diarios, como teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y televisores, básicamente todo lo que esté conectado a Internet, será mucho más rápido, más económico, utilizando mucha menos energía y multifuncional ".

    El Dr. Han agregó:"El siguiente paso de nuestra investigación será diseñar y demostrar los primeros láseres III-V de 1,5 μm impulsados ​​eléctricamente que crecen directamente en las plataformas SOI de 220 nm, e idear un esquema para acoplar eficientemente la luz de los láseres III-V en guías de ondas de Si y, por lo tanto, demostrar conceptualmente circuitos de fotónica de Si totalmente integrados ".


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