硅光子芯片設計突破結構限制瓶頸

　　當今的硅光子芯片必須采用復雜的制造制程連接光源與芯片，而且也和晶圓級堆棧密不可分。然而，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)（Technical University of Munich；TUM）的科學(xué)家們最近宣稱(chēng)，他們已經(jīng)成功地在芯片上直接生長(cháng)出直徑360nm的垂直納米激光器。這為在CMOS電路上的光子組件整合開(kāi)啟了新的光學(xué)端口。

　　由于各種材料具有不同的晶格參數以及不同的熱膨脹系數，在硅晶上生長(cháng)III-V族半導體經(jīng)常導致應變并產(chǎn)生大量的缺陷，使得這些分層并不適用于打造可用的設備。

　　慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究團隊首先單獨在直徑僅40-50nm占位空間的芯片上沉積砷化鎵（GaAs）納米線(xiàn)，以符合250nm二氧化硅（SiO2）交錯層中的播種小孔直徑。然后在透過(guò)可控制的橫向生長(cháng)選擇性擴展GaAs納米線(xiàn)直徑以前，再用分子束外延（MBE）生長(cháng)長(cháng)度約10um 的內部核心納米線(xiàn)至同軸雷射結構中。

　　GaAs/AlGaAs納米線(xiàn)（c）通過(guò)外部光泵的（a）尺寸測量與（b）雷射實(shí)驗的SEM圖

　　透 過(guò)改變其化學(xué)成份，研究人員們透過(guò)沉積多個(gè)六角形GaAs-AlGaAs核-殼（core-shell）結構，順利打造出多層的量子阱（QW）。他們展示 在75nm厚的AlGaAs阻障層之間夾層8nm厚的GaAs QW，以及由7層8nm GaAs QW組成并以10nm AlGaAs阻障層隔離的多量子阱雷射結構。

　?。╝） 同軸GaAs-AlGaAs多層QW納米線(xiàn)異質(zhì)結構；（b）在Si上生長(cháng)雷射結構的SEM影像；（c）相同結構的HAADF-STEM影像橫截面，明亮處 是GaAs層，黑暗處則為AlGaAs區域；（d）相鄰GaAs QW與AlGaAs阻障層的原子序對比（Z-contrast）功能與放大影像

　　在這兩種設計中，核-殼層GaAs-AlGaAs納米線(xiàn)仍以?xún)炔亢诵倪B接至硅基底，延伸至整個(gè)二氧化硅交錯層（作為雷射作業(yè)的鏡像）。在先前的作業(yè)中，研究人員們研究了分離式GaAs-AlGaAs核殼納米激光器，并表征與探索其原生的特性與性能。

　　這項主題為“具有外延增益控制的同軸GaAs-AlGaAs核殼納米線(xiàn)雷射”（Coaxial GaAs-AlGaAs core-mulTIshell nanowire lasers with epitaxial gain control）的最新論文日前已發(fā)布于《應用物理快報》（Applied Physics Letters），研究人員們在文中展示成功在室溫下以納米線(xiàn)于硅基上實(shí)現近紅外線(xiàn)雷射作業(yè)（采用調整至780nm的 TI：藍寶石雷射透過(guò)外部光激發(fā)）。

　　接下來(lái)，研究人員們希望透過(guò)化學(xué)拋光或沉積介電Bragg反射鏡，從而改善納米線(xiàn)雷射性能。此外，在實(shí)際應用時(shí)，激光器應該單向發(fā)射至可嵌套圖案光子硬件（包括芯片波導）的底層硅。至于實(shí)際的整合，研究人員還需要電注入。“我們目前的研究目標專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)可在硅晶上實(shí)現電氣泵納米線(xiàn)激光器的方法，以及可發(fā)至底層光子電路的整合型激光器。截至目前為止，這些組件都是光子泵，但他們 是有選擇性地在硅基底上在生長(cháng)，”慕尼黑工業(yè)大學(xué)教授Jonathan J. Finley表示，“我們已經(jīng)申請硅晶納米線(xiàn)激光器的基本技術(shù)專(zhuān)利了，對于授權IP給相關(guān)產(chǎn)業(yè)也相當感興趣。”