教授专栏102 | 薛莹,刘纪美:开发用于III-V与硅高效结合的崭新集成技术,可助力革新数据通信…

文 / 薛莹教授、刘纪美教授

香港科大薛莹、刘纪美教授带领的研究团队开发了一种新的集成技术，用于将III-V族化合物半导体器件与硅高效集成，为低成本、大容量、高速和高吞吐量的光子集成提供了基础，有助改革数据通信的发展。

有别于使用电子的传统集成电路或微芯片，光子集成电路使用光子或光粒子。光子集成结合了光和电子学以加速数据传输。当中，硅光子学（Si-photonics）处于这场革命的最前沿，它能够创建同时处理大量数据的高速、低成本连接。

虽然硅能够实现无源光学功能，但它难以实现有源功能，例如，生成光（激光器）或检测光（光电探测器）——两者都是关键的数据生成与读出组件。因此，需要将III-V族半导体（使用来自周期表第III族和第V族的材料）集成到硅衬底上，以实现完整的功能并提高效率。

然而，尽管III-V族半导体能够很好地完成有源功能，但它们无法自然地与硅结合，研究团队找到了一种能够让III-V族器件与硅高效结合的方法，从而解决了这项挑战。

团队开发了一种名为横向纵横比捕获（LART）的技术，这是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，而无需厚缓冲层。

薛莹教授（左六）、刘纪美教授（左七）和研究团队的合照

尽管根据现有文献，尚无任何集成方法能够以高耦合效率和高产量方式来解决III-V族有源功能与硅无源功能结合这一挑战，但团队的LART方法有效地实现了面内III-V族激光器，从而使III-V族激光器与硅可以在同一平面内耦合，因而高效。

总之，该方案解决了III-V族器件与硅的失配问题，实现了III-V族器件的优异性能，让III-V族与硅的耦合变得简单高效。

过去几十年，在大数据、云应用和传感器等新兴技术的推动下，数据流量呈指数级增长。集成电路（IC，也称为微电子）技术通过缩小电子器件的尺寸并提高其运行速度，实现了符合摩尔定律（Moore’s Law）的指数级增长——微芯片上的晶体管数量大约每两年翻倍。然而，数据流量的持续爆炸性增长，已将传统电子器件推到了极限。

2016年，泽字节时代开启，数据的生成、处理、传输、存储和读出规模出现飞速增长。数据规模的激增给速度、带宽、成本和功耗方面带来严峻挑战。在此背景下，光子集成技术应运而生。

研究团队计划在后续研究工作中证明，与硅波导集成的III-V族激光器能够发挥优异性能，例如，阈值低、输出功率高、使用寿命长，并且能够在高温条件下工作。

在这项技术应用于现实生活之前，还有一些关键性的科学挑战需要解决。然而，该技术将有望实现新一代通信，并推动各种新兴应用和研究领域的发展——包括超级计算机、人工智能、生物医学、汽车应用，以及神经和量子网络。

薛莹教授在实验室的照片

相应研究报告近期发表于《激光与光子评论》，并被选为封面。此外，凭借在相关工作中开发的新型外延技术和集成方案，薛教授荣获2023 年国际光学学会（Optica）挑战基金奖，以进一步推进这项研究工作。

研究报告被《镭射与光子评论》选为封面

*转载自《EurekAlert!》，原刊于2024年2月16日

薛莹教授简介

薛莹教授，香港科技大学新兴跨学科领域学部研究助理教授，香港科技大学电子与计算机工程博士，薛教授的研究方向为：III-V族光电器件与硅光子集成，荣获国际光学学会（Optica）挑战基金奖，工程领域女性新星奖等奖项。

刘纪美教授简介

刘纪美教授，香港科技大学电子及计算机工程系荣休教授兼新兴跨学科领域学部研究教授，香港工程科学院院士，美国国家工程院院士。刘教授致力研究复合半导体材料及高频率和高速器件，与光电学器件的应用，重点研究发光二极管（LED）照明系统。刘教授屡获殊荣，包括 IPRM 奖、国际工程技术学会J. J. Thomson电子学奖章、光学学会尼克·何伦亚克奖、IEEE光电学会Aron Kressel奖、美国国家科学基金会女科学家和工程师奖，以及香港裘槎基金会优秀科研者奖。她亦曾获电机及电子工程师学会、光学学会颁发院士荣衔。