In this work, we report on the selective area growth (SAG) of InGaN multiple quantum well (MQW) structures to completely suppress the phenomenon of the Stokes shift in monolithically integrated photonic chips. The original green MQW region is designed as the integrated photodetector (PD), while the SAG blue MQW region acts as the integrated light-emitting diode (LED). The detection spectra of the PD can completely cover the emission spectra of the LED, greatly improving the on-chip optical connection by the complete suppression of the Stokes shift. Thus, the bottleneck of on-chip optical connection based on spectra-tail overlap in integrated photonic chips has been broken. Under the same operating current, the photocurrent of the SAG integrated PD reaches 11.8 μA, while the conventional chip achieves only 0.6 μA. By SAG method, the photo-to-dark current ratio of integrated PD exhibits about two orders of magnitude increase under 0 V bias. Undoubtedly, the SAG technology provides a strategy to further improve the on-chip optical signal transmission efficiency of the MQW structure integrated photonic chips.

1.
L.
Francesco
,
J.
Jiri
,
T.
Oliver
,
V.
Matteo
,
H.
Ben
,
K.
Sachin
,
C.
Liang
,
P. P.
Hoang
,
V. D.
Dzung
,
Y.
Hidehiro
,
K. L.
Ping
,
H. H.
Elanor
, and
L.
Mirko
,
Sci. Adv.
4
,
eaat9331
(
2018
).
2.
X.
Xu
,
G.
Ren
,
T.
Feleppa
,
X.
Liu
,
A.
Boes
,
A.
Mitchell
, and
A. J.
Lowery
,
Nat. Photonics
16
,
595
602
(
2022
).
3.
Z. S.
Lv
,
Y.
Guo
,
S. P.
Zhang
,
Q.
Wen
, and
H.
Jiang
,
J. Mater. Chem. C
9
,
12273
12280
(
2021
).
4.
X. S.
Luo
,
Y. B.
Cheng
,
J. F.
Song
,
T. Y.
Liow
,
Q. J.
Wang
, and
M. B.
Yu
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
22
,
8200612
(
2016
).
5.
Y.
Yin
,
R.
Chen
,
R.
He
,
Y.
Duo
,
H.
Long
,
W.
Hu
,
J.
Zhai
,
C.
Pan
,
Z.
Zhang
,
J.
Wang
,
J.
Li
, and
T.
Wei
,
Nano Energy
109
,
108283
(
2023
).
6.
D. K.
Wang
,
H. L.
Hu
,
T. L.
Guo
, and
F. S.
Li
,
Chin. J. Lumin.
44
,
1721
1732
(
2023
).
7.
R. S.
Peng
,
S. R.
Xu
,
X. M.
Fan
,
H. C.
Tao
,
H. K.
Su
,
Y.
Gao
,
J. C.
Zhang
, and
Y.
Hao
,
J. Semicond.
44
,
042801
(
2022
).
8.
C.
Yi
,
Y.
Chen
,
Z.
Kang
,
Y.
Ma
,
Y.
Yue
,
W.
Liu
,
M.
Zhu
, and
Y.
Gao
,
Adv. Electron. Mater.
7
,
2000955
(
2021
).
9.
H.
Yu
,
M. H.
Memon
,
H.
Jia
,
H.
Zhang
,
M.
Tian
,
S.
Fang
,
D.
Wang
,
Y.
Kang
,
S.
Xiao
,
S.
Long
, and
H.
Sun
,
J. Semicond.
43
,
062801
(
2022
).
10.
R.
He
,
N.
Liu
,
Y.
Gao
,
R.
Chen
,
S.
Zhang
,
H.
Yuan
,
Y.
Duo
,
J.
Xu
,
X.
Ji
,
J.
Yan
,
J.
Wang
,
J.
Liu
,
J.
Li
, and
T.
Wei
,
Nano Energy
104
,
107928
(
2022
).
11.
R.
Chen
,
Y.
Yin
,
L.
Wang
,
Y.
Gao
,
R.
He
,
J.
Ran
,
J.
Wang
,
J.
Li
, and
T.
Wei
,
Opt. Lett.
47
,
6157
6160
(
2022
).
12.
H.
Chang
,
Z.
Liu
,
S.
Yang
,
Y.
Gao
,
J.
Shan
,
B.
Liu
,
J.
Sun
,
Z.
Chen
,
J.
Yan
,
Z.
Liu
,
J.
Wang
,
P.
Gao
,
J.
Li
,
Z.
Liu
, and
T.
Wei
,
Light: Sci. Appl.
11
,
88
(
2022
).
13.
V.
Kumar
and
I.
Kymissis
,
Appl. Phys. Rev.
10
,
021306
(
2023
).
14.
P. Y.
Wen
,
P.
Tiwari
,
S.
Mauthe
,
H.
Schmid
,
M.
Sousa
,
M.
Scherrer
,
M.
Baumann
,
B. I.
Bitachon
,
J.
Leuthold
,
B.
Gotsmann
, and
K. E.
Moselund
,
Nat. Commun.
13
,
909
(
2022
).
15.
L.
Guo
,
Y.
Guo
,
J.
Yang
,
J.
Yan
,
J.
Wang
, and
T.
Wei
,
Chin. J. Lumin.
43
,
1
7
(
2022
).
16.
Z.
Li
,
T.
Yan
, and
X.
Fang
,
Nat. Rev. Mater.
8
,
578
603
(
2023
).
17.
S.
Fang
,
L.
Li
,
D.
Wang
,
W.
Chen
,
Y.
Kang
,
W.
Wang
,
X.
Liu
,
Y.
Luo
,
H.
Yu
,
H.
Zhang
,
M. H.
Memon
,
W.
Hu
,
J. H.
He
,
C.
Gong
,
C.
Zuo
,
S.
Liu
, and
H.
Sun
,
Adv. Funct. Mater.
33
,
2214408
(
2023
).
18.
M. H.
Memon
,
H.
Yu
,
Y.
Luo
,
Y.
Kang
,
W.
Chen
,
D.
Li
,
D.
Luo
,
S.
Xiao
,
C.
Zuo
,
C.
Gong
,
C.
Shen
,
L.
Fu
,
B. S.
Ooi
,
S.
Liu
, and
H.
Sun
,
Nat. Electron.
7
,
279
287
(
2024
).
19.
D.
Li
,
S. F.
Liu
,
Z. Y.
Qian
,
Q. F.
Liu
,
K.
Zhou
,
D. D.
Liu
,
S. S.
Sheng
,
B. W.
Sheng
,
F.
Liu
,
Z. Y.
Chen
,
P.
Wang
,
T.
Wang
,
X.
Rong
,
R. C.
Tao
,
J. B.
Kang
,
F. L.
Chen
,
J. J.
Kang
,
Y.
Yuan
,
Q.
Wang
,
M.
Sun
,
W. K.
Ge
,
B.
Shen
,
P. F.
Tian
, and
X. Q.
Wang
,
Adv. Mater.
34
,
2109765
(
2022
).
20.
M.
Khoury
,
H.
Li
,
P.
Li
,
Y. C.
Chow
,
B.
Bonef
,
H.
Zhang
,
M. S.
Wong
,
S.
Pinna
,
J.
Song
,
J.
Choi
,
J. S.
Speck
,
S.
Nakamura
, and
S. P.
DenBaars
,
Nano Energy
67
,
104236
(
2020
).
21.
X.
He
,
E.
Xie
,
M. S.
Islim
,
A. A.
Purwita
,
J. J. D.
McKendry
,
E.
Gu
,
H.
Haas
, and
M. D.
Dawson
,
Photonics Res.
7
,
B41
B47
(
2019
).
22.
Z.
Shi
,
Q.
Zhou
,
S.
Ni
,
H.
Zhu
, and
Y.
Wang
,
Semicond. Sci. Technol.
35
,
045025
(
2020
).
23.
K. H.
Li
,
H.
Lu
,
W. Y.
Fu
,
Y. F.
Cheung
, and
H. W.
Choi
,
IEEE Trans. Ind. Electron.
66
,
7426
7432
(
2019
).
24.
L.
Yan
,
Z.
Jin
,
R.
Lin
,
X.
Lu
,
X.
Shan
,
S.
Zhu
,
Z.
Fang
,
X.
Cui
, and
P.
Tian
,
Opt. Lett.
48
,
2861
2864
(
2023
).
25.
J.
Yuan
,
Y.
Jiang
,
Z.
Shi
,
X.
Gao
,
Y.
Wang
,
X.
Sun
,
D.
Li
,
Y.
Liu
, and
H.
Amano
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
58
,
010909
(
2019
).
26.
K. H.
Li
,
W. Y.
Fu
, and
H. W.
Choi
,
Prog. Quantum Electron.
70
,
100247
(
2020
).
27.
H.
Zhang
,
J.
Yan
,
Z.
Ye
,
F.
Shi
,
J.
Piao
,
W.
Wang
,
X.
Gao
,
H.
Zhu
,
Y.
Wang
,
Y.
Liu
, and
H.
Amano
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
181103
(
2022
).
28.
F.
Zhang
,
Z.
Shi
,
X.
Gao
,
C.
Qin
,
S.
Zhang
,
Y.
Jiang
,
F.
Wu
, and
Y.
Wang
,
Opt. Lett.
43
,
1874
1877
(
2018
).
29.
J.
Yin
,
H.
Yang
,
Y.
Luo
,
Q.
Wang
,
H.
Yu
, and
K. H.
Li
,
IEEE Electron Device Lett.
43
,
458
461
(
2022
).
30.
K. H.
Li
,
W. Y.
Fu
,
Y. F.
Cheung
,
K. K. Y.
Wong
,
Y.
Wang
,
K. M.
Lau
, and
H. W.
Choi
,
Optica
5
,
564
569
(
2018
).
31.
K.
Fu
,
F.
Shi
,
B.
Wang
,
J.
Fu
,
J.
Yan
, and
Y.
Wang
,
J. Appl. Phys.
134
,
234501
(
2023
).
32.
Y. H.
Huang
,
C. L.
Cheng
,
T. T.
Chen
,
Y. F.
Chen
, and
K. T.
Tsen
,
J. Appl. Phys.
101
,
103521
(
2007
).
33.
S. F.
Chichibu
,
A. C.
Abare
,
M. S.
Minsky
,
S.
Keller
,
S. B.
Fleischer
,
J. E.
Bowers
,
E.
Hu
,
U. K.
Mishra
,
L. A.
Coldren
,
S. P.
DenBaars
, and
T.
Sota
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
2006
2008
(
1998
).
34.
R. W.
Martin
,
P. G.
Middleton
,
K. P.
O'Donnell
, and
W.
Van der Stricht
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
263
265
(
1999
).
35.
R.
Zheng
and
T.
Taguchi
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
3024
3026
(
2000
).
36.
R.
He
,
L.
Wang
,
R.
Chen
,
S.
Zhang
,
X.
Chen
,
Z.
Yu
,
J.
Liu
,
J.
Wang
, and
T.
Wei
,
Appl. Phys. Lett.
122
,
021105
(
2023
).
37.
M.
Xie
,
Y.
Jiang
,
X.
Gao
,
X.
Tang
,
J.
Yuan
,
Z.
Shi
, and
Y.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
123
,
261103
(
2023
).
38.
X.
Gao
,
J.
Yuan
,
Y.
Yang
,
S.
Zhang
,
Z.
Shi
,
X.
Li
, and
Y.
Wang
,
Semicond. Sci. Technol.
32
,
065002
(
2017
).
39.
J.
Yan
,
L.
Fang
,
Z.
Sun
,
H.
Zhang
,
J.
Yuan
,
Y.
Jiang
, and
Y.
Wang
,
Adv. Photonics Nexus
2
,
046003
(
2023
).
40.
J.
Abell
and
T. D.
Moustakas
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
091901
(
2008
).
41.
L. L.
Shi
,
K. Q.
Chen
,
A. P.
Zhai
,
G. H.
Li
,
M. M.
Fan
,
Y. Y.
Hao
,
F. R.
Zhu
,
H.
Zhang
, and
Y. X.
Cui
,
Laser Photonics Rev.
15
,
2000401
(
2020
).
You do not currently have access to this content.