新工程方法促进光子芯片在消费电子产品的广泛应用

背景介绍

半导体纳米线（NWs）具有结构紧凑、成本效益高、阈值低等特点，是光互连、医疗诊断和超分辨率成像领域的理想激光器。特别是，电信级纳米线激光器有望成为光子集成电路中的片上相干光源，推动光通信和量子通信及计算领域的创新。

要实现高性能的电信波段纳米线激光器，必须关注高效增益介质、最佳增益范围和有效的光腔设计。这就需要外延生长具有光滑侧壁、可控尺寸和精确晶体成分的高质量纳米线。具有径向多量子阱（MQW）的核壳纳米线因其大的有效区域、可调带隙能和量子约束效应而成为具有吸引力的候选器件，这些特性在纳米级激光器中非常理想。

然而，要外延生长出具有良好结构和光学特性以及均匀形态的多量子阱结构，已被证明是一项重大挑战。例如，采用气相-液相-固相方法生长的多量子阱纳米线（如GaAs/AlGaAs和 InGaAs/InP）呈现出锥形和不均匀的形态。这导致氮化硼空腔的光学约束性不理想，质量系数低。选择性区域外延（SAE）为控制各种基底上的量子阱纳米线形状提供了可能。

图1：a)分别为基于六方硫化锌型的InP纳米线、面旋转InP核壳纳米线和InGaAs/InP多量子阱纳米线的示意图。 b)在InP衬底上生长的纳米线阵列的30°倾斜扫描电子显微镜图像。 c、d)不同放大率下InGaAs/InP量子阱纳米线横向截面的透视电子显微镜图像。c)中的蓝色虚线表示被旋转30°的InP外壳和多量子阱结构覆盖的六方硫化锌型InP纳米线内核的预期位置。e-g)从纳米线顶段的垂直横截面沿区域轴拍摄的透视电子显微镜图像。e)中的粉色箭头表示纳米线沿着方向生长。h)纳米线阵列的PL强度图，蓝色虚线内区域的强度线扫描显示阵列发出均匀的光辐射

然而，通过SAE技术在砷化镓基纳米线中实现高结晶度仍然是个问题，这会导致孪晶和平面缺陷等缺陷。这导致了非辐射重组中心和光学性能的下降。此外，纯砷化镓纳米线还存在表面态密度高的问题，如果不采取额外的钝化步骤，就很难在室温下产生激光。相比之下，使用SAE技术可以方便地获得表面非辐射重组率极低的高质量InP基纳米线，从而实现室温激光。

研究方法

澳大利亚研究委员会变革性元光学系统卓越中心（TMOS）的研究人员开发出了一种新的芯片光源工程方法，可促进光子芯片在消费电子产品中的广泛应用。在9月发表在《光：科学与应用》上发表的一项研究中，来自澳大利亚研究小组及其在西北工业大学的合作者概述了一种利用半导体材料砷化镓铟和磷化铟生长高质量多量子阱纳米线的方法。

光传输信息在速度和效率方面都优于电传输，这也是光子芯片行业在过去十年蓬勃发展的原因。这些芯片也被称为光子集成电路，现在可以在电信设备、自动驾驶汽车、生物传感器和手机等消费设备中找到。目前，光子芯片的一个主要不足是缺乏片上光源。这些芯片需要外部光源，从而阻碍了芯片及其所支持设备的进一步微型化发展。

纳米线激光器是这些光源的绝佳候选材料，但具有光滑侧壁、可控尺寸和精确晶体成分并能在室温下工作的高质量纳米线，一直难以大规模制造。TMOS的研究人员及其合作者开发了一种创新的多步骤刻面工程方法，利用金属有机化学气相沉积技术的选择性区域外延来生长纳米线。

为了确保足够的光学增益和高效的辐射重组以及良好的光学约束，研究团队开发了一种通过选择性区域金属有机气相外延进行多步生长的方法。纳米线阵列尺寸为200×200μm2，间距为800nm，开孔直径为120nm。首先，在高温和低V/III比条件下生长核心InP纳米线，以获得高晶体质量的六方硫化锌型（WZ）结构纳米线。然后将生长条件切换到低温和高V/III比条件，以实现 InGaAs/InP多量子阱的均匀径向生长，示意图如图1a所示。图1a、b展示了WZ InP纳米线内核的横向/纵向截面示意图和扫描电镜图像，该内核是在680℃、V/III比为(297)的条件下生长的，与之前报道的纯WZ相InP纳米结构一样，具有无锥度的六边形截面和六个侧壁。

图1c、d所示为核壳结构的横截面示意图和扫描电镜图像，核壳结构呈现类似的六边形，其 纳米线切面与原始纳米线切面旋转了30°，并且由于横向生长的增强而增大了直径。与图 2所示的WZ纯核纳米线相比，InP核壳纳米线的寿命大大延长，表明其光学性能有了显著改善，这可能归因于这种核壳状结构降低了表面重组速度。

WZ核壳InP纳米线具有出色的结构和光学特性，为随后的InGaAs多量子阱植入奠定了良好的基础。在生长出InP核壳纳米线之后，又依次生长出10-QW InGaAs/InP结构。。图1e、f所示的10-QW NW形状高度一致，表明多量子阱结构的生长是保形的，没有发生任何面过渡或形貌退化。

为了评估激光特性，在5K的自制共聚焦微PL系统中，从另一个阵列对直径约为405nm的单个基板上纳米线进行了光泵浦。图2a显示了不同泵浦通量下单个纳米线的发射光谱。在低泵浦通量下，宽PL光谱中出现两个峰值，这可以归因于InP（865 nm）和InGaAs QW（950nm）的发射。当泵浦通量增加到每个脉冲2.5μJ cm-2时，QW峰变得更窄，并转移到波长更短的930nm处。随着泵浦通量的继续增加，这个窄峰迅速增强并主导整个发射光谱，而自发辐射则被箝制（见图2b）。图2c中所示的L-L曲线（光输出与光输入曲线）的典型“S”形验证了随着泵浦通量的增加，从自发辐射到放大自发辐射（ASE）再到受激发射的过渡过程。

图2c中的蓝点还显示了相应的半最大全宽（FWHM）与泵浦通量的函数关系。可以发现，增益不足以主导整个光谱自发辐射在低泵浦通量时占主导地位，从而产生宽广的发射光谱；随着泵浦通量的增加，更多的载流子被激发到更高的能态，实现了种群反转。随着泵浦功率的进一步增加，种群反转也随之增加，介质的增益也随之增加。激光模式的增益通常在增益谱的峰值处最高。

随着增益的增加，激光器的反馈机制会优先放大增益光谱峰值附近的波长，而不是两翼的波长，从而导致光谱变窄。然后，在阈值处可以清楚地看到FWHM的急剧下降，这表明在这种垂直静止的纳米线中实现了单模激光，其激光阈值Pth较低，为每脉冲2.7μJ cm-2。

如图2d所示，为了评估这些多量子阱纳米线的发光效率，对不同激发通量下光谱的不同峰值位置进行了时间分辨PL衰减测量。图2d显示了分别对应于P1、P2和P3的两个单指数衰减和一个双指数衰减。因此，通过用单指数曲线拟合P1和P2的时间衰减图，可以估算出InP 和InGaAs量子阱的自发辐射寿命分别为715ps和444ps。

图2：a)不同泵浦通量下的发射光谱。b)作为泵浦通量函数的归一化发射强度光谱图。c)作为泵浦通量函数的套色发射强度（红色）和相应的光谱FWHM（蓝色），以对数-对数标度绘制。d)不同泵浦通量下InP、InGaAs量子阱和套色峰的归一化时间分辨发射衰减

研究结论

论文共同第一作者、TMOS博士生Fanlu Zhang说：通过这种新的外延生长方法，我们可以精确控制具有高晶体质量和均匀形态的量子阱纳米线的直径和长度。这就有可能设计出可控的纳米线光腔，从而实现空间模式和纵向模式的调节。然后，通过调节纳米线中量子阱的成分和厚度，就可以调节纳米线的激光波长，实现对近红外电信波段宽光谱范围的覆盖。

共同第一作者Xutao Zhang说：我们提出的技术非常适合均匀纳米线阵列的大规模外延生长。它可以批量制造近红外通信波段的纳米级激光光源。这种方法有可能克服通过键合或异质外延制造片上集成光源的传统方法所带来的障碍，为大规模光子集成展示了一条前景广阔的道路。TMOS首席研究员Lan Fu说：这是在片上光源和光子芯片产业发展方面取得的重大进展。重要的是，它为这些设备的大规模制造奠定了基础。这项研究的下一步将是设计和制造电触点，以实现电注入激光。

InGaAs/InP核壳多量子阱无晶圆阵列采用选择性面积外延技术生长，该技术采用了精心设计的多步骤生长策略，以控制无晶圆的长度和直径，从而获得均匀的形貌、强大的载流子约束、足够的光学增益。垂直阵列中的单个纳米线实现了垂直激光。通过调整多量子阱的铟成分，可以在室温下在电信O波段到C波段窗口的大范围内调整激光峰值。垂直发射方向、低阈值、高特征温度以及同时来自纳米线阵列内大量单个纳米线的均匀激光，为实现具有成本效益的片上先进光电和光子集成电路提供了一条前景广阔的可扩展途径。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。