Investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) han desarrollado una nueva técnica de integración para la integración eficiente de dispositivos semiconductores compuestos III-V y silicio, allanando el camino para la integración fotónica a bajo costo, gran volumen y alta velocidad y rendimiento. que podría revolucionar las comunicaciones de datos.
A diferencia de los circuitos integrados convencionales, o microchips, que utilizan electrones, los circuitos integrados fotónicos utilizan fotones o partículas de luz. La integración fotónica combina luz y electrónica para acelerar la transferencia de datos. La fotónica de silicio (Si-fotónica), en particular, está a la vanguardia de esta revolución, ya que permite la creación de conexiones de alta velocidad y bajo costo que pueden manejar cantidades masivas de datos a la vez.
Si bien el silicio puede manejar funciones ópticas pasivas, tiene dificultades con tareas activas, como generar luz (láseres) o detectarla (fotodetectores), ambos componentes clave para la generación y lectura de datos. Esto requiere la integración del semiconductor III-V (que utiliza materiales de los grupos III y V de la tabla periódica) en un sustrato de silicio para una funcionalidad completa y una eficiencia mejorada.
Pero si bien los semiconductores III-V realizan bien las tareas activas, naturalmente no funcionan bien con el silicio. El equipo, dirigido por el Prof. Ying Xue, profesor asistente de investigación y el Prof. Kei May Lau, profesor de investigación de la División de Áreas Interdisciplinarias Emergentes (EMIA), abordó este desafío encontrando una manera de hacer que los dispositivos III-V funcionen de manera eficiente con silicio. .
Desarrollaron una técnica llamada captura de relación de aspecto lateral (LART), un novedoso método de epitaxia directa selectiva que puede hacer crecer selectivamente materiales III-V sobre silicio sobre aislante (SOI) en dirección lateral sin necesidad de amortiguadores gruesos.
Si bien ningún método de integración reportado en la literatura podría resolver el desafío con una alta eficiencia de acoplamiento y un alto volumen de producción, su método logró un láser III-V en el plano, de modo que el láser III-V puede acoplarse con Si en el mismo plano, lo cual es eficiente.
"Nuestro enfoque abordó la falta de coincidencia entre los dispositivos III-V y Si. Logró un rendimiento excelente de los dispositivos III-V y hizo que fuera fácil y eficiente acoplar III-V con Si", afirmó el profesor Xue.
En las últimas décadas, el tráfico de datos ha crecido exponencialmente impulsado por tecnologías emergentes, como big data, aplicaciones en la nube y sensores. El campo de los circuitos integrados (CI), también conocido como microelectrónica, ha permitido ese crecimiento al hacer que los dispositivos electrónicos sean más pequeños y más rápidos gracias a la Ley de Moore, una observación de que el número de transistores en un microchip se duplica aproximadamente cada dos años. Pero la continua explosión del tráfico de datos ha llevado los dispositivos electrónicos tradicionales al límite.
El inicio de la era Zettabyte en 2016 marcó el comienzo de un crecimiento vertiginoso en la generación, procesamiento, transmisión, almacenamiento y lectura de datos. Este aumento de datos plantea desafíos críticos de velocidad, ancho de banda, costo y consumo de energía. Aquí es donde entra en juego la integración fotónica, en particular la fotónica de Si.
En los próximos pasos, el equipo planea demostrar que los láseres III-V integrados con guías de ondas de silicio pueden funcionar bien, ya que tienen un umbral bajo, una potencia de salida alta, una vida útil prolongada y la capacidad de operar a altas temperaturas.
Hay desafíos científicos clave que abordar antes de que esta técnica pueda usarse en la vida real, dijo. Pero permitirá comunicaciones de nueva generación y diversas aplicaciones y áreas de investigación emergentes, incluidas supercomputadoras, inteligencia artificial (IA), biomedicina, aplicaciones automotrices y redes neuronales y cuánticas.
El estudio fue publicado recientemente en la revista Laser &Photonics Reviews. .
Más información: Ying Xue et al, Láseres de retroalimentación distribuida en el plano de 1,5 µm cultivados selectivamente en (001) SOI (Laser Photonics Rev. 18(1)/2024), Reseñas de láser y fotónica (2024). DOI:10.1002/lpor.202470006
Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong
