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兼容Si-CMOS的納米柱LED可讓光子整合更準確

2019-12-26 10:01:44      點擊:

       美國加州大學伯克利分校(UC Berkeley)的研究人員展示采用兼容Si-CMOS光學微影工藝的三五(III-V)族納米柱LED設計,同時還能控製這些納米LED的精確生長位置——這是在CMOS電路中有效整合光子,從而實現快速芯片上光互連的關鍵元素。

  研究人員在《ACS Photonics》期刊發表“以電信波長在具有明亮電致發光的矽晶上實現超威型位置控製的InP納米柱LED”(Ultracompact Position-Controlled InP Nanopillar LEDs on Silicon with Bright Electroluminescence at Telecommunication Wavelengths)一文中指出,控製生長位置的良率高達90%,可在矽晶上實現均勻的磷化銦(InP)納米柱數組,在CMOS兼容的條件下生長:低溫且無需催化劑。

位置可控製的InP納米柱數組在460℃時生長的低倍數放大SEM圖 所有影像中的比例尺分別對應至10μm以及1μm、4μm和40μm的生長周期(間距)

  研究人員先從幹淨的矽晶圓(111)開始,在350℃下將140nm的二氧化沉積至直徑約320nm的納米級孔徑中,以1μm-40μm的間距定位納米柱成核位置。研究人員以化學方式使矽晶表麵變得粗糙後,再以450℃~460℃的溫度在MOCVD腔中生長InP納米結構。研究人員發現,納米柱的錐角明顯受到生長溫度的影響,在450℃時產生納米針,而在460℃下幾乎是垂直的柱狀結構。

  研究人員在這些納米柱的基礎上,透過同中心的核心-外殼(core-shell)生長,在pn二極管的主動區內並入五個砷化镓銦(InGaAs)量子阱,形成電驅動的n-InP/InGaAs MQW/p-InP/p-InGaAs納米LED。

納米柱MQW LED組件示意圖

  由於核心-外殼的生長模式,納米柱由其成核位置生長而出,並延展至氧化物開口以外,達到約1μm的最終直徑。因此,當納米柱的n摻雜核心與n-Si基板直接接觸時,p摻雜的外殼在氧化物屏蔽上生長,消除了從p摻雜的外殼和n-Si基板的分流路徑。20/200nm的Ti/Au透過傾斜的電子束蒸發到高度p摻雜的InGaAs接觸層,完成該組件以形成電接觸,其中納米柱的小部份區域外露,而且沒有金屬作為LED光輸出的窗口。

  為納米柱狀LED進行表征,在1510nm以及約30%的量子效率下進行射。雖然納米柱LED的占位空間小,但可輸出4μW功率,研究人員宣稱這是從納米柱/納米結構LED所能實現的最高光輸出記錄。在此建置下,由於收集效率僅5%,可用的光輸出降至200nW。

  該研究的另一個有趣之處是,該組件能以電偏置產生光增益,並在反向注入時表現出強光響應,使其有助於實現芯片上的光子整合。

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