Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) ont signalé les premiers lasers III-V de 1,5 m au monde directement développés sur les plaquettes SOI (silicon-on-isolants) standard de 220 nm sans tampon, ouvrant potentiellement une ouverture vers le « Saint Graal » pour la recherche actuelle sur la photonique sur silicium (Si-).

Reliant de manière transparente les sources lumineuses actives III-V avec les dispositifs photoniques passifs à base de silicium, la démonstration pourrait être déployée en tant que sources lumineuses dans des circuits intégrés pour améliorer considérablement la vitesse du circuit, efficacité énergétique et rentabilité.

Dans d'autres approches classiques d'intégration de lasers III-V sur Si dans la littérature, des tampons III-V épais jusqu'à quelques micromètres sont utilisés pour réduire les densités de défauts, qui pose d'énormes défis pour l'interfaçage efficace de la lumière entre les lasers épitaxiaux III-V et les guides d'ondes à base de Si.

Pour la première fois dans l'histoire, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Lau Kei-May du département d'ingénierie électronique et informatique de HKUST et le boursier postdoctoral Dr. Han Yu a conçu un nouveau schéma de croissance pour éliminer le besoin de tampons III-V épais et a ainsi favorisé un couplage efficace de la lumière dans les guides d'ondes Si. La fonction sans tampon pointe vers des circuits intégrés photoniques à base de silicium entièrement intégrés.

Cela a permis la première démonstration de lasers III-V de 1,5 m directement développés sur les plaquettes SOI standard de 220 nm en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur métal-organique (MOCVD). Les démonstrations précédentes nécessitaient des plaquettes Si en vrac ou SOI épaisses non conformes aux normes de l'industrie.

Les résultats de la recherche ont été récemment publiés en ligne dans Optique en février 2020.

L'appétit croissant du monde pour les services Internet et la numérisation de nos vies entraînent la génération d'une grande quantité de données numériques, traité, stocké, et transmis.

Le silicium est le matériau le plus utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs, qui sont intégrés dans presque toutes les technologies de communication sur lesquelles nous comptons chaque jour, des ordinateurs et des smartphones aux centres de données et aux communications par satellite.

Mais l'amélioration de l'efficacité des systèmes de données électroniques conventionnels ne peut pas rattraper la montée en flèche du trafic de données, qui nécessite l'intégration de fonctionnalités photoniques sur la plate-forme électronique conventionnelle à base de Si. L'intégration pourrait produire des circuits intégrés optoélectroniques avec une vitesse et des fonctionnalités inégalées, et activer de nouvelles applications.

Pourtant, les différences fondamentales entre les matériaux Si et III-V signifient qu'il est extrêmement difficile de développer directement les fonctionnalités III-V sur la plate-forme Si.

Le groupe du professeur Lau du Phonics Technology Center de HKUST s'est efforcé d'intégrer des matériaux et des fonctionnalités III-V sur des plaquettes de silicium grand public depuis plus d'une décennie, innover et optimiser diverses approches pour améliorer les performances des lasers III-V développés sur Si, dans le but d'approcher progressivement les exigences de l'industrie. Ce travail fait partie de leur projet sur l'intégration monolithique de lasers III-V sur silicium.

Leur méthode leur a permis de concevoir d'abord un schéma de croissance unique pour cultiver directement des matériaux III-V de haute qualité sur les plates-formes 220 SOI standard de l'industrie. Puis, ils ont caractérisé et mis en évidence l'excellente qualité cristalline de ces matériaux épitaxiaux III-V grâce à des mesures approfondies de microscopie électronique à transmission et de photoluminescence. L'équipe a conçu et fabriqué les cavités laser gainées d'air sur la base de simulations numériques et a finalement testé les dispositifs qui ont montré que les lasers pouvaient supporter un laser à température ambiante et à faible seuil dans la bande technologiquement importante de 1,5 m sous excitation optique.

La démonstration conduit à la possibilité et au potentiel d'intégrer de manière monolithique des lasers III-V sur les plaquettes SOI 220 nm standard de l'industrie de manière économique, compact, et de manière évolutive.

Le professeur Lau a déclaré :« Si appliqué dans la pratique, notre technologie pourrait permettre une amélioration significative de la vitesse, consommation d'énergie, rentabilité, et la fonctionnalité des circuits intégrés actuels à base de silicium. Nos appareils électroniques du quotidien, comme les smartphones, les ordinateurs portables et les téléviseurs (essentiellement tout ce qui est connecté à Internet) seront beaucoup plus rapides, moins cher, utilisant beaucoup moins d'énergie et multifonctionnel."

Le Dr Han a ajouté :« La prochaine étape de nos recherches consistera à concevoir et à démontrer les premiers lasers III-V de 1,5 m à commande électrique directement développés sur les plates-formes SOI de 220 nm, et concevoir un schéma pour coupler efficacement la lumière des lasers III-V dans des guides d'ondes Si et ainsi démontrer conceptuellement des circuits photoniques Si entièrement intégrés."