香港科技大学(HKUST)的研究人员最近开发了一种新颖的集成方案，通过选择性直接外延在硅光子学(Si-photonics)平台上高效耦合III-V族化合物半导体器件和硅组件，释放潜力将高能效光子学与具有成本效益的电子学相结合，以及实现低成本、高速和大容量的下一代电信。

研究人员开发了一种用于IIIV族和硅之间高效耦合的新型集成方案

在过去几年中，数据流量在大数据、汽车、云应用和传感器等各种应用和新兴技术的推动下呈指数级增长。为了解决这些问题，硅光子学作为一项核心技术得到了广泛研究，可通过节能、高容量和低成本的光学互连实现、扩展和增加数据传输。

虽然硅基无源元件已在硅光子学平台上得到很好的应用，但激光器和光电探测器无法通过硅实现，需要在硅上集成其他材料，例如III-V族化合物半导体。

硅上的III-V族激光器和光电探测器已通过两种主要方法进行了研究。第一个是基于键合的方法，它产生了性能令人印象深刻的设备。然而，它需要复杂的制造工艺，产量低，成本高，使得大规模生产非常具有挑战性。

另一种方法是直接外延法，在硅片上生长多层III-V族。虽然它提供了一种成本更低、可扩展性更大和集成密度更高的解决方案，但对该方法至关重要的微米厚III-V缓冲层阻碍了III-V族和硅之间的高效光耦合——这是集成硅光子学的关键。

为了解决这些问题，由香港科技大学(HKUST)电子及计算机工程学系名誉教授Kei-MayLAU教授领导的团队开发了横向纵横比捕获(LART)——一种新颖的选择性直接外延法，可以在绝缘体上硅(SOI)上横向选择性生长III-V族材料，无需厚缓冲层。

此外，基于这项新技术，该团队设计并展示了III-V族光电探测器和硅元件的独特面内集成，在III-V族和硅之间具有高耦合效率。与商用产品相比，采用这种方法的光电探测器的性能噪声更小、灵敏度更高、工作范围更广，速度创历史新高，超过112Gb/s，远超现有产品。

III-V族器件首次可以通过直接外延与Si元素有效耦合。该集成策略可以很容易地应用于各种III-V族器件和硅基元器件的集成，从而实现在硅光子平台上实现光子学与电子学集成以进行数据通信的最终目标。

“这是通过我们最新开发的一种名为横向纵横比捕获(LART)的新型生长技术以及我们在SOI平台上独特的耦合策略设计而实现的。我们的团队结合了对器件物理和生长机制的专业知识和洞察力，使我们能够完成III-V族和Si之间的有效耦合以及外延生长和器件性能的交叉相关分析的挑战性任务，”刘教授说。

“这项工作将为光子集成电路和完全集成的硅光子学提供实用的解决方案，通过这种方法可以实现III-V族激光器与硅元件之间的光耦合，”该研究的第一作者YingXue博士说。