To realize fully integrated silicon photonics (Si photonics), reliable III–V light sources that can be efficiently coupled with Si/SiN waveguides are essential. Here, based on a monolithic InP/silicon-on-insulator (SOI) platform, we developed a selective regrowth scheme and constructed a regrowth platform for on-chip lasers that can be efficiently coupled with Si/SiN waveguides. InP and InGaAs/InP multi-quantum wells (MQWs) were regrown on the regrowth template on SOI as well as patterned commercial InP wafers in the same growth run for comparison. A flat (001) top surface after regrowth with a low roughness of 0.38 nm was obtained on SOI. Benefitting from the high quality of MQWs regrowth, strong photoluminescence emission at telecom band can be obtained on both growth templates. Also, multi-wavelength emission on the same chip can be potentially achieved by designing various regrowth openings. Furthermore, the large material volume with vertical stacking structure and intimate placement of MQWs and the Si layer of SOI allow for the potential demonstration of electrically pumped lasers and efficient light coupling between them and Si/SiN waveguides. Therefore, the demonstrated regrowth method provides a promising solution for the monolithic integration of III–V on-chip lasers on Si.

1.
M.
Haurylau
,
G.
Chen
,
H.
Chen
,
J.
Zhang
,
N. A.
Nelson
,
D. H.
Albonesi
,
E. G.
Friedman
, and
P. M.
Fauchet
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
12
,
1699
(
2006
).
2.
J. W.
Goodman
,
F. J.
Leonberger
,
S. Y.
Kung
, and
R. A.
Athale
,
Proc. IEEE
72
,
850
(
1984
).
3.
D.
Thomson
,
A.
Zilkie
,
J. E.
Bowers
,
T.
Komljenovic
,
G. T.
Reed
,
L.
Vivien
,
D.
Marris-Morini
,
E.
Cassan
,
L.
Virot
,
J. M.
Fédéli
,
J. M.
Hartmann
,
J. H.
Schmid
,
D. X.
Xu
,
F.
Boeuf
,
P.
O’Brien
,
G. Z.
Mashanovich
, and
M.
Nedeljkovic
,
J. Opt.
18
,
073003
(
2016
).
4.
B.
Jalali
and
S.
Fathpour
,
J. Lightwave Technol.
24
,
4600
(
2006
).
5.
M.
Tang
,
J. S.
Park
,
Z.
Wang
,
S.
Chen
,
P.
Jurczak
,
A.
Seeds
, and
H.
Liu
,
Prog. Quantum Electron.
66
,
1
(
2019
).
7.
D.
Liang
and
J. E.
Bowers
,
Nat. Photonics
4
,
511
(
2010
).
8.
A. E. J.
Lim
,
J.
Song
,
Q.
Fang
,
C.
Li
,
X.
Tu
,
N.
Duan
,
K. K.
Chen
,
R. P. -C.
Tern
, and
T. Y.
Liow
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
20
,
405
(
2013
).
9.
J. M.
Ramirez
,
H.
Elfaiki
,
T.
Verolet
,
C.
Besancon
,
A.
Gallet
,
D.
Néel
,
K.
Hassan
,
S.
Olivier
,
C.
Jany
,
S.
Malhouitre
,
K.
Gradkowski
,
P. E.
Morrissey
,
P.
O’Brien
,
C.
Caillaud
,
N.
Vaissière
,
J.
Decobert
,
S.
Lei
,
R.
Enright
,
A.
Shen
, and
M.
Achouche
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
26
,
1
(
2020
).
10.
T.
Komljenovic
,
M.
Davenport
,
J.
Hulme
,
A. Y.
Liu
,
C. T.
Santis
,
A.
Spott
,
S.
Srinivasan
,
E. J.
Stanton
,
C.
Zhang
, and
J. E.
Bowers
,
J. Lightwave Technol.
34
,
20
(
2016
).
11.
Y.
Han
,
Y.
Xue
,
Z.
Yan
, and
K. M.
Lau
,
J. Lightwave Technol.
39
,
940
(
2021
).
12.
W.
Luo
,
Y.
Xue
,
J.
Huang
,
L.
Lin
,
B.
Shi
, and
K. M.
Lau
,
Photonics Res.
8
,
1888
(
2020
).
13.
Y.
Xue
,
W.
Luo
,
S.
Zhu
,
L.
Lin
,
B.
Shi
, and
K. M.
Lau
,
Opt. Express
28
,
18172
(
2020
).
14.
Y.
Wan
,
J.
Norman
,
Q.
Li
,
M. J.
Kennedy
,
D.
Liang
,
C.
Zhang
,
D.
Huang
,
Z.
Zhang
,
A. Y.
Liu
,
A.
Torres
,
D.
Jung
,
A. C.
Gossard
,
E. L.
Hu
,
K. M.
Lau
, and
J. E.
Bowers
,
Optica
4
,
940
(
2017
).
15.
S.
Chen
,
J.
Wu
,
W.
Li
,
M.
Liao
,
M.
Tang
,
Q.
Jiang
,
S.
Shutts
,
S.
Elliott
,
A.
Sobiesierski
,
I.
Ross
,
P.
Smowton
,
A.
Seeds
, and
H.
Liu
, in
2016 International Semiconductor Laser Conference (ISLC)
(
IEEE
,
2016
), pp.
1
2
.
16.
B.
Kunert
,
Y.
Mols
,
M.
Baryshniskova
,
N.
Waldron
,
A.
Schulze
, and
R.
Langer
,
Semicond. Sci. Technol.
33
,
093002
(
2018
).
17.
Y.
Han
,
Y.
Xue
, and
K. M.
Lau
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
192105
(
2019
).
18.
M.
Baryshnikova
,
Y.
Mols
,
Y.
Ishii
,
R.
Alcotte
,
H.
Han
,
T.
Hantschel
,
O.
Richard
,
M.
Pantouvak
,
J.
Van Campenhout
,
D.
Van Thourhout
,
R.
Langer
, and
B.
Kunert
,
Crystals
10
,
330
(
2020
).
19.
J. Z.
Li
,
J.
Bai
,
J. S.
Park
,
B.
Adekore
,
K.
Fox
,
M.
Carroll
,
A.
Lochtefeld
, and
Z.
Shellenbarger
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
021114
(
2007
).
20.
C.
Merckling
,
N.
Waldron
,
S.
Jiang
,
W.
Guo
,
N.
Collaert
,
M.
Caymax
,
E.
Vancoille
,
K.
Barla
,
A.
Thean
,
M.
Heyns
, and
W.
Vandervorst
,
J. Appl. Phys.
115
,
023710
(
2014
).
21.
B.
Kunert
,
W.
Guo
,
Y.
Mols
,
B.
Tian
,
Z.
Wang
,
Y.
Shi
,
D.
Van Thourhout
,
M.
Pantouvaki
,
J.
Van Campenhout
,
R.
Langer
, and
K.
Barla
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
091101
(
2016
).
22.
T.
Orzali
,
A.
Vert
,
B.
O’Brian
,
J. L.
Herman
,
S.
Vivekanand
,
S. S.
Papa Rao
, and
S. R.
Oktyabrsky
,
J. Appl. Phys.
120
,
085308
(
2016
).
23.
B. F.
Mayer
,
S.
Wirths
,
S.
Mauthe
,
P.
Staudinger
,
M.
Sousa
,
J.
Winiger
,
H.
Schmid
, and
K. E.
Moselund
,
IEEE Photonics Technol. Lett.
31
,
1021
(
2019
).
24.
H.
Schmid
,
M.
Borg
,
K.
Moselund
,
L.
Gignac
,
C. M.
Breslin
,
J.
Bruley
,
D.
Cutaia
, and
H.
Riel
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
233101
(
2015
).
25.
F.
Zhang
,
X.
Zhang
,
Z.
Li
,
R.
Yi
,
Z.
Li
,
N.
Wang
,
X.
Xu
,
Z.
Azimi
,
L.
Li
,
M.
Lysevych
,
X.
Gan
,
Y.
Lu
,
H.
Hoe Tan
,
C.
Jagadish
, and
L.
Fu
,
Adv. Funct. Mater.
32
,
2103057
(
2022
).
26.
Y.
Han
,
W. K.
Ng
,
C.
Ma
,
Q.
Li
,
S.
Zhu
,
C. C. S.
Chan
,
K. W.
Ng
,
S.
Lennon
,
R. A.
Taylor
,
K. S.
Wong
, and
K. M.
Lau
,
Optica
5
,
918
(
2018
).
27.
Y.
Li
,
W.
Yang
,
S.
Du
,
X.
Zhou
,
M.
Wang
,
H.
Yu
,
Y.
Zhang
, and
J.
Pan
, in
2019 International Photonics and OptoElectronics Meeting (OFDA, OEDI, ISST, PE, LST, TSA), OSA Technical Digest
(
Optica Publishing Group
,
2019
), paper JTh4E.6.
28.
Y.
Han
,
Z.
Yan
,
W. K.
Ng
,
Y.
Xue
,
K. S.
Wong
, and
K. M.
Lau
,
Optica
7
,
148
(
2020
).
29.
Y.
Han
,
W. K.
Ng
,
Y.
Xue
,
Q.
Li
,
K. S.
Wong
, and
K. M.
Lau
,
Opt. Lett.
44
,
767
(
2019
).
30.
S.
Mauthe
,
Y.
Baumgartner
,
M.
Sousa
,
Q.
Ding
,
M. D.
Rossell
,
A.
Schenk
,
L.
Czornomaz
, and
K. E.
Moselund
,
Nat. Commun.
11
,
1
(
2020
).
31.
Y.
Xue
,
Y.
Han
,
Y.
Wang
,
Z.
Zhang
,
H. K.
Tsang
, and
K. M.
Lau
,
Opt. Lett.
45
,
1754
(
2020
).
32.
Z.
Yan
,
Y.
Han
,
L.
Lin
,
Y.
Xue
,
C.
Ma
,
W. K.
Ng
,
K. S.
Wong
, and
K. M.
Lau
,
Light Sci. Appl.
10
,
200
(
2021
).
33.
J.
Li
,
Y.
Xue
,
L.
Lin
,
Z.
Xing
,
K. S.
Wong
, and
K. M.
Lau
,
J. Lightwave Technol.
40
,
5631
(
2022
).
34.
Y.
Xue
,
Y.
Han
,
Y.
Tong
,
Z.
Yan
,
Y.
Wang
,
Z.
Zhang
,
H. K.
Tsang
, and
K. M.
Lau
,
Optica
8
,
1204
(
2021
).
35.
Y.
Xue
,
Y.
Han
,
Y.
Wang
,
J.
Li
,
J.
Wang
,
Z.
Zhang
,
X.
Cai
,
H. K.
Tsang
, and
K. M.
Lau
,
Optica
9
,
1219
(
2022
).
36.
Q.
Gao
,
D.
Saxena
,
F.
Wang
,
L.
Fu
,
S.
Mokkapati
,
Y.
Guo
,
L.
Li
,
J.
Wong-Leung
,
P.
Caroff
,
H. H.
Tan
, and
C.
Jagadish
,
Nano Lett.
14
,
5206
(
2014
).
37.
J.
Lin
,
X.
Zhao
,
D. A.
Antoniadis
, and
J. A.
del Alamo
,
IEEE Electron Device Lett.
35
,
440
(
2014
).
38.
L.
Cheng
,
J.
Fan
,
D.
Janssen
,
D.
Guo
,
X.
Chen
,
F. J.
Towner
, and
F. S.
Choa
,
J. Electron. Mater.
41
,
506
(
2012
).
39.
M.
Albrecht
,
S.
Christiansen
,
J.
Michler
,
W.
Dorsch
,
H. P.
Strunk
,
P. O.
Hansson
, and
E.
Bauser
,
Appl. Phys. Lett.
67
,
1232
(
1995
).
40.
F.
Jonsdottir
and
L. B.
Freund
,
MRS Online Proc. Libr.
317
309
(
1993
).
41.
F.
Bugge
,
U.
Zeimer
,
M.
Sato
,
M.
Weyers
, and
G.
Tränkle
,
J. Cryst. Growth
183
,
511
(
1998
).
42.
S.
Lutgen
,
T.
Marschner
,
W.
Stolz
,
E. O.
Göbel
, and
L.
Tapfer
,
J. Cryst. Growth
152
,
1
(
1995
).
43.
G.
Brammertz
,
Y.
Mols
,
S.
Degroote
,
M.
Leys
,
J.
Van Steenbergen
,
G.
Borghs
, and
M.
Caymax
,
J. Cryst. Growth
297
,
204
(
2006
).
44.
Y.
Han
,
Z.
Yan
,
Y.
Xue
, and
K. M.
Lau
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
052102
(
2020
).
45.
R.
Nagarajan
,
M.
Kato
,
J.
Pleumeekers
,
P.
Evans
,
S.
Corzine
,
S.
Hurtt
,
A.
Dentai
,
S.
Murthy
,
M.
Missey
,
R.
Muthiah
,
R. A.
Salvatore
,
C.
Joyner
,
R.
Schneider
,
M.
Ziari
,
F.
Kish
, and
D.
Welch
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
16
,
1113
(
2010
).
46.
J.
Klamkin
,
H.
Zhao
,
B.
Song
,
Y.
Liu
,
B.
Isaac
,
S.
Pinna
,
F.
Sang
, and
L.
Coldren
, in
2018 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS)
(
IEEE
,
2018
), pp.
8
13
.
You do not currently have access to this content.