科大團隊開發一種新型集成方案實現 III-V半導體器件和矽組件之間的有效耦合

香港科技大學的研究人員最近發明了一種新型集成方案，透過選擇性直接外延技術¹，在矽光子平台上開發了III-V族化合物半導體器件和矽元件的高效耦合—，釋放集成高能效光子和低成本電子的潛能，令下一代通信可以低成本、更高速和更大容量的方式呈現。

近年，在大資料、汽車、雲端和感測器等各種應用和新興技術的推動下，資料流程量呈指數級增長。為了解決資料通信的瓶頸，矽光子學成為一項被廣泛研究的核心技術，通過節能、大容量和低成本的光互連實現資料傳輸的增長。雖然矽基無源組件已經在矽光子平台上成熟的建立，但雷射器和光電探測器並不能由矽製成，需要在矽上集成其他材料，例如 III-V 族化合物半導體等。

現時對於矽上的 III-V 雷射器和光電探測器主要通過兩種方法進行了研究。第一個是以鍵合為基礎的方法，儘管此方法已能產出了性能很好的器件，但要求複雜的製造工藝，而且成本高、產量低，使大規模生產變得非常具挑戰性。另一種方法是通過在矽上縱向生長多層 III-V 的直接外延方法，雖然它提供了一種成本更低、可擴展性更大和集成密度更高的解決方案，然而這種方法中所必須用到的幾微米厚的 III-V 緩衝層阻礙了 III-V 和矽之間的有效光耦合，因此解決這一問題成為了集成矽光子學的關鍵。

為解決這一關鍵問題，由香港科技大學電子及計算器工程學系榮休教授劉紀美領導的團隊開發了橫向選區生長技術—一種新穎的選擇性直接外延方法，可以選擇性地在矽上橫向生長 III-V 材料，而無需緩衝層。此外，基於這項新技術，該團隊亦設計並實現了 III-V 光電探測器和矽組件的獨特面內集成，並在 III-V 和矽之間具有高耦合效率。與商用光電探測器相比，這種方法實現的光電探測器雜訊更小，靈敏度更高，工作範圍更廣，且具有超過 112 Gb/s的高速—較現有產品更快。這不但乃首次通過直接外延的方法實現III-V 器件與矽組件的有效耦合，而且可以應用於各種 III-V 器件和矽基元件的集成，從而實現在矽光子平台上集成光與電模組以進行數據通信的最終目標。

劉教授表示：「我們開發的一種名為橫向選區生長的新型技術以及我們在 SOI 平台上獨特的耦合方案設計，令上述目標得以達成。我們的團隊在器件物理和材料生長方面的專業知識和見解使我們能夠完成 III-V 和矽之間有效耦合，讓我們能完成外延生長和器件性能相關分析這個具挑戰性任務。」

研究的第一作者薛瑩博士指出： 「此項研究將為光積體電路和全集成矽光子提供可行的解決方案，運用此項研究技術，最具挑戰的雷射器與矽組件的有效耦合將有可能在未來實現」。

這項研究計畫是與香港中文大學電子工程學系曾漢奇教授和中山大學電子與信息工程學院蔡鑫倫教授所領導的研究團隊共同合作完成。計畫所使用的器件製備由科大清水灣校區的納米系統製造實驗中心所開發。這計畫得到香港研究資助局和香港創新科技基金的支持並於最近發表在 《光學（Optica）》上。

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