Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong (HKUST) desenvolveram uma nova técnica de integração para integração eficiente de dispositivos semicondutores compostos III-V e silício, abrindo caminho para integração fotônica de baixo custo, grande volume e alta velocidade e rendimento que poderia revolucionar as comunicações de dados.



Ao contrário dos circuitos integrados convencionais, ou microchips, que utilizam elétrons, os circuitos integrados fotônicos utilizam fótons, ou partículas de luz. A integração fotônica combina luz e eletrônica para acelerar a transferência de dados. A fotônica do silício (Si-fotônica), em particular, está na vanguarda desta revolução, pois permite a criação de conexões de alta velocidade e baixo custo que podem lidar com grandes quantidades de dados de uma só vez.

Embora o silício possa lidar com funções ópticas passivas, ele enfrenta tarefas ativas, como gerar luz (lasers) ou detectá-la (fotodetectores) – ambos componentes essenciais para geração e leitura de dados. Isto requer a integração do semicondutor III-V (que utiliza materiais dos grupos III e V da tabela periódica) em um substrato de silício para funcionalidade completa e maior eficiência.

Mas embora os semicondutores III-V executem bem as tarefas ativas, eles não funcionam naturalmente bem com o silício. A equipe, liderada pelo Prof. Ying Xue, Professor Assistente de Pesquisa e pelo Prof. Kei May Lau, Professor Pesquisador da Divisão de Áreas Interdisciplinares Emergentes (EMIA), enfrentou esse desafio encontrando uma maneira de fazer os dispositivos III-V funcionarem eficientemente com silício .

Eles desenvolveram uma técnica chamada captura de proporção lateral (LART) - um novo método seletivo de epitaxia direta que pode cultivar seletivamente materiais III-V em silício sobre isolante (SOI) em uma direção lateral sem a necessidade de tampões espessos.

Embora nenhum método de integração relatado na literatura possa resolver o desafio com alta eficiência de acoplamento e alto volume de produção, seu método alcançou um laser III-V no plano, de modo que o laser III-V possa se acoplar ao Si no mesmo plano, o que é eficiente.

"Nossa abordagem abordou a incompatibilidade entre dispositivos III-V e Si. Alcançou excelente desempenho de dispositivos III-V e tornou fácil e eficiente o acoplamento de III-V com Si", disse o Prof.

Nas últimas décadas, o tráfego de dados cresceu exponencialmente, impulsionado por tecnologias emergentes, como big data, aplicações em nuvem e sensores. O campo dos circuitos integrados (ICs), também conhecidos como microeletrônica, permitiu esse crescimento ao tornar os dispositivos eletrônicos menores e mais rápidos graças à Lei de Moore, uma observação de que o número de transistores em um microchip dobra a cada dois anos. Mas a explosão contínua do tráfego de dados levou os dispositivos eletrônicos tradicionais ao seu limite.

O início da Era Zettabyte em 2016 marcou o início de um crescimento crescente na geração, processamento, transmissão, armazenamento e leitura de dados. Esse aumento nos dados apresenta desafios críticos de velocidade, largura de banda, custo e consumo de energia. É aqui que entra a integração fotônica, em particular a Si-fotônica.

Nas próximas etapas, a equipe planeja mostrar que os lasers III-V integrados com guias de onda de silício podem ter um bom desempenho, como ter limiar baixo, alta potência de saída, longa vida útil e capacidade de operar em altas temperaturas.

Existem desafios científicos importantes a serem enfrentados antes que esta técnica possa ser usada na vida real, disse ela. Mas permitirá comunicações de nova geração e diversas aplicações e áreas de investigação emergentes, incluindo supercomputadores, inteligência artificial (IA), biomedicina, aplicações automóveis e redes neurais e quânticas.

O estudo foi publicado recentemente na revista Laser &Photonics Reviews .

Mais informações: Ying Xue et al, Lasers de feedback distribuído de 1,5 µm no plano cultivados seletivamente em (001) SOI (Laser Photonics Rev. 18(1)/2024), Laser &Photonics Reviews (2024). DOI:10.1002/lpor.202470006
Fornecido pela Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong