硅光子芯片設(shè)計(jì)突破結(jié)構(gòu)限制瓶頸

　　當(dāng)今的硅光子芯片必須采用復(fù)雜的制造制程連接光源與芯片，而且也和晶圓級(jí)堆棧密不可分。然而，德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)（Technical University of Munich；TUM）的科學(xué)家們最近宣稱，他們已經(jīng)成功地在芯片上直接生長(zhǎng)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(shù)以及不同的熱膨脹系數(shù)，在硅晶上生長(zhǎng)III-V族半導(dǎo)體經(jīng)常導(dǎo)致應(yīng)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(shè)備。

　　慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首先單獨(dú)在直徑僅40-50nm占位空間的芯片上沉積砷化鎵（GaAs）納米線，以符合250nm二氧化硅（SiO2）交錯(cuò)層中的播種小孔直徑。然后在透過(guò)可控制的橫向生長(zhǎng)選擇性擴(kuò)展GaAs納米線直徑以前，再用分子束外延（MBE）生長(zhǎng)長(zhǎng)度約10um 的內(nèi)部核心納米線至同軸雷射結(jié)構(gòu)中。

　　GaAs/AlGaAs納米線（c）通過(guò)外部光泵的（a）尺寸測(cè)量與（b）雷射實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。

　　（a） 同軸GaAs-AlGaAs多層QW納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)；（b）在Si上生長(zhǎng)雷射結(jié)構(gòu)的SEM影像；（c）相同結(jié)構(gòu)的HAADF-STEM影像橫截面，明亮處 是GaAs層，黑暗處則為AlGaAs區(qū)域；（d）相鄰GaAs QW與AlGaAs阻障層的原子序?qū)Ρ龋╖-contrast）功能與放大影像

　　在這兩種設(shè)計(jì)中，核-殼層GaAs-AlGaAs納米線仍以內(nèi)部核心連接至硅基底，延伸至整個(gè)二氧化硅交錯(cuò)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(xiàng)主題為“具有外延增益控制的同軸GaAs-AlGaAs核殼納米線雷射”（Coaxial GaAs-AlGaAs core-mulTIshell nanowire lasers with epitaxial gain control）的最新論文日前已發(fā)布于《應(yīng)用物理快報(bào)》（Applied Physics Letters），研究人員們?cè)谖闹姓故境晒υ谑覝叵乱约{米線于硅基上實(shí)現(xiàn)近紅外線雷射作業(yè)（采用調(diào)整至780nm的 TI：藍(lán)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，從而改善納米線雷射性能。此外，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，激光器應(yīng)該單向發(fā)射至可嵌套圖案光子硬件（包括芯片波導(dǎo)）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(biāo)專注于開(kāi)發(fā)可在硅晶上實(shí)現(xiàn)電氣泵納米線激光器的方法，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(zhǎng)，”慕尼黑工業(yè)大學(xué)教授Jonathan J. Finley表示，“我們已經(jīng)申請(qǐng)硅晶納米線激光器的基本技術(shù)專利了，對(duì)于授權(quán)IP給相關(guān)產(chǎn)業(yè)也相當(dāng)感興趣。”