行业进展| HKUST研究团队开发III-V与硅高效集成技术

香港科技大学（HKUST）研究人员开发了一种III-V化合物半导体器件与硅有效集成的技术。这种方法为低成本、大规模、高速和高吞吐量的光子集成铺平了道路，有可能彻底改变数据通信。这项研究发表在 Laser & Photonics Reviews 上。

传统集成电路芯片使用电子进行数据传输和处理，而光子集成芯片则利用光子来实现更快速的数据传输。通过将光和电子结合起来，光子集成芯片可以提供更高的数据传输速度和吞吐量。硅光子学尤其处于这场革命的前沿，结合其技术优势，可以实现更经济且快速高效的数据传输。

虽然硅在实现无源器件方面表现出色，但在制备有源器件（如激光器、光电探测器等）时存在困难。但这些有源器件在数据生成和读取中起着关键作用，因此，为了实现完整的功能并提高效率，需要将III-V半导体材料集成到硅基底上。

然而，III-V半导体在制造有源光学器件时表现良好，但与硅的兼容性并不理想。由香港科技大学新兴跨学科领域（EMIA）研究助理教授薛莹和研究教授刘纪美领导的团队通过找到一种使III-V器件与硅高效配合的方法来解决这一挑战。他们开发了一种侧向纵横比陷阱（Lateral Aspect Ratio Trapping，LART）技术——一种新型的选择性直接外延生长方法，可以在硅绝缘体上选择性地在侧向方向上生长III-V材料，而无需厚厚的缓冲层。该方法实现了平面内的III-V激光器，使得III-V激光器可以与硅在同一平面内耦合，从而提高了效率。

图为薛莹

“我们的方法解决了III-V器件与硅之间的不匹配问题，”研究人员表示。“它实现了III-V器件的优异性能，并且使III-V与硅的耦合变得简单高效。”

在过去的几十年里，数据流量呈指数级增长，这得益于大数据、云应用和传感器等新兴技术的发展。集成电路领域，也被称为微电子学，通过实现电子器件的小型化来支持数据流量的快速增长。但持续爆炸式增长的数据流量已经将传统电子设备推向了极限。

2016年，ZB时代的到来标志着数据在生成、处理、传输、存储和读取方面快速增长。这一趋势带来了速度、带宽、成本和功耗等方面的关键挑战，需要新的技术和方法来应对。这就是光子集成技术，特别是硅光子学发挥作用的地方。

在接下来的步骤中，研究小组计划展示与硅波导集成的 III-V 激光器可以表现良好，具有低阈值、高输出功率、长寿命以及在高温下工作的能力。

薛补充说，在这项新技术能够应用于日常技术之前，还有一些关键的科学挑战需要解决。但科学家们表示，该项技术对超级计算机、人工智能（AI）、生物医学、汽车应用以及神经和量子网络等各种新兴应用和研究领域具有重要意义。

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