目前的异质硅光子学通常在后端工艺中将III-V晶圆/裸片键合在绝缘体上硅衬底上，而通过直接外延进行的单片集成可以从前端工艺中受益，其中III-V材料在制造无源光学电路之前生长。在这里，我们展示了硅光子学 220 nm SOI 晶圆上的前端加工和外延方法，以实现在埋藏氧化层顶部的光刻定义空腔中定位无位错的 GaAs 层。由于横向生长中的缺陷限制，III-V/Si界面产生的螺纹位错被有效地捕获在Si表面的∼250 nm内。这证明了在主流 220 nm SOI 平台上 III-Vs 与 Si 的面内协同积分的潜力，而无需依赖厚的、有缺陷的缓冲层。此外，还讨论了与平面缺陷和聚结成更大膜以集成片上光学器件相关的挑战。
横向隧道外延可在靠近硅的地方实现无位错的III−V膜，从而在220 nm绝缘体上硅平台上实现片上III-V/Si光子集成。
开发光子集成电路不仅对于满足对高速、低功耗短距离数据通信日益增长的需求至关重要，而且对于要求高可扩展性、功能性和可靠性的新兴面向消费者的光学应用也很重要。虽然硅光子平台通过利用CMOS兼容的铸造工艺提供了低成本、高容量的可制造性，但将直接带隙III–V材料异质集成到硅光子芯片上可以解决硅在制造光源方面的不足，并显著提高光调制器的数据传输能力。到目前为止，高性能器件已经通过在绝缘体上硅衬底上结合III–V晶片/管芯得到了证明。真正的单片光子集成平台对于可扩展、经济高效和密集集成的硅基PIC来说是非常理想的。GaAs和InP这两种用于可见光和近红外通信波长的最重要的活性材料在硅平台上的外延生长已被广泛追求。传统的缓冲层外延，通常包括在体硅或图案化SOI衬底上的几微米厚的过渡缓冲层，仍然产生106 cm–2或以上的穿线位错密度。为了满足电信波长激光器的严格寿命要求，必须将其与量子点等耐位错材料相结合。到目前为止，从外延激光器到硅波导的有效耦合仍然是一个关键的挑战。
横向外延的最新发展，一种生长技术也在硅隧道外延中得到了证明，已经显示出在SOI衬底上生长“无缓冲”无位错III–V材料的潜力。它使III–V光学活性区与Si非常接近，从而实现了高性能波导耦合光电探测器。对于在硅上集成光源，迄今为止取得的最大进展是在器件占地面积小、活性材料有限的光泵浦纳米激光器上。实现适用于电注入边缘发射激光器件的大面积无位错III–V材料以产生足够的输出功率仍然是一个重大挑战。在这里，我们展示了在硅光子220nm SOI衬底上的前端线图案化和外延工艺，并对光刻腔中GaAs的生长进行了材料研究。生长腔被设计为具有通过光刻预定义的150μm的长度，用于潜在的边缘发射激光应用。采用选择性区域金属-有机化学气相沉积进行了GaAs的横向隧道外延。通过平面图和截面透射电子显微镜研究验证了缺陷颈缩机制。我们发现源自Si表面的TDs可以有效地被捕获在~250nm的横向距离内。尽管在聚结中有孪晶段，但在TEM中发现了长度高达几微米的无缺陷GaAs区域。这些结果显示了开发这种用于高调制速度膜激光器的材料平台的潜力，该材料平台在III–V层内具有严格的光学限制，并有助于有效地将光接口连接到硅基无源器件。
