用于片上光通信的多波长量子阱纳米线阵列微型 LED

图 1 (a) 具有横向和纵向截面的 pi-n InGaAs/InP 单 QW 纳米线 LED 结构示意图。(b) 间距为 800 nm 的纳米线阵列的 30° 倾斜视角 SEM 图像。(c) 纳米线的横截面 HAADF-STEM 图像，在不同放大倍率下显示六边形和径向 QW。(d) (c) 中横截面区域的 EDX 元素图。来源：Opto-Electronic Science (2023)。DOI: 10.29026/oes.2023.230003

随着处理器内核数量的不断增加，将它们连接在一起所面临的挑战也越来越大。由于延迟、有限的带宽和高能耗，传统的电气网络无法满足要求。长期以来，研究人员一直在寻找更好的替代方案，片上纳米光子系统作为传统电气网络的替代品已经崭露头角。

片上光学网络利用光进行数据传输，与电信号相比具有极大的优势。光比电更快，可以通过多路复用技术传输更大量的数据。片上光网络的关键是微型光源，如微型/纳米级激光器或发光二极管（LED）。然而，大多数微/纳米 LED 的开发都是基于可见光波长的 III-氮化物材料系统。

关于电信波长的高速红外微型发光二极管的报道还很有限，而这正是未来发展 Lii-Fi 技术、光子集成电路 (PIC) 和生物应用所不可或缺的。

外延生长的In(Ga)As(P)/InP纳米线在电信波长范围内的小型化LED和激光器方面具有巨大潜力，因为它们的宽带隙可调谐性可以通过一次外延生长在单个芯片上实现多波长光源的单片集成，从而通过波分复用和多输入多输出技术提高数据传输能力。

发表在《光电子科学》（Opto-Electronic Science）上的一篇新文章的作者展示了高度均匀的 pi-n 核壳 InGaAs/InP 单量子阱（QW）纳米线阵列 LED 的选择性区域生长和制造。图 1（a、b）分别显示了单根纳米线的 QW LED 结构示意图和形态高度均匀的纳米线阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图 1（c）中的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像进一步揭示了径向方向上的详细 QW 结构。为了探究 QW 的材料成分，还进行了图 1（d）中的能量色散 X 射线光谱分析，结果清楚地表明，与 InP 势垒区相比，InGaAs QW 区富含镓和砷。

图 2 (a) 制作的纳米线阵列 LED 示意图。(b) 具有代表性的纳米线阵列 LED 的 L-I 和 I-V 曲线。(c) 室温下与电压有关的 EL 光谱。(d) (c) 的归一化电压相关 EL 光谱。(e) 模拟电压自发辐射光谱。(f）偏压为 1.2 V 时的模拟发射光谱，显示了轴向和径向量子阱的解耦贡献。资料来源：《光电子科学》（2023 年）。DOI: 10.29026/oes.2023.230003

如图 2（c、d）所示，QW 纳米线 LED 显示出很强的偏压依赖性电致发光（EL），波长覆盖电信波长（1.35~1.6 μm）。从图 2（d）所示的光谱中可以识别出两个突出的 EL 峰，包括一个来自径向 QW 的 ~1.5 μm 长波长峰和一个来自轴向和径向 QW 组合发射的 ~1.35 μm 短波长峰。由于存在两个电致发光峰，电致发光光谱的半最大全宽可达 286 nm 左右，这为光学相干断层扫描和生物传感应用带来了巨大前景。随着偏压的增加，大量载流子注入填充了两个 QW 的能带，导致发射光谱变宽，峰值波长发生偏移。

图 3 (a) 从不同间距的纳米线阵列顶部测得的代表性 PL 光谱。(b) 从不同间距的纳米线阵列 LED 在 1.5 V 正向偏压下测得的 EL 光谱。(c) 不同间距尺寸的纳米线阵列 LED 随偏压变化的 EL 光谱峰值波长。(d) 从间距为 0.8 µm 的纳米线阵列 LED 收集到的 TREL 信号，调制频率分别为 0.1、0.6 和 1 GHz。(e) 与字母 "ANU "相对应的纳米线阵列的 30° 倾斜扫描电子显微镜图像。(f）红外相机拍摄的不同电流注入水平下（e）中纳米线阵列 LED 的 EL 发射图像。来源：Opto-Electronic Science (2023)。DOI: 10.29026/oes.2023.230003

通过在同一基底上单片生长不同间距（即阵列中相邻纳米线之间的中心到中心距离）的纳米线阵列，进一步证明了 QW 纳米线阵列的多波长可调性。图 3(a) 显示了从不同间距的纳米线阵列中收集到的具有代表性的光致发光 (PL) 光谱，由于 QW 厚度增加或在 QW 中加入铟，较大间距的纳米线阵列发出的 PL 波长更长。

然后在相同的衬底上制作了间距为 0.8、1.0 和 2.0 μm 的纳米线阵列 LED，在偏压为 1.5 V 时，相应的电致发光（EL）光谱如图 3(b) 所示，显示出与 PL 光谱一致的趋势。较大间距纳米线阵列 LED 发出的电致发光波长更长，偏压相关电致发光光谱的峰值波长从 ~1.57 μm（间距为 0.8 μm 的阵列）扩展到 ~1.67 um（间距为 2.0 μm 的阵列），覆盖了电信 C 波段。

图 3(c)总结了所有间距的电致发光峰值波长随偏压变化的情况（从 1 V 到 4 V），每种情况下的蓝移都超过 100 nm，表明在整个电信波长范围内具有广泛的发射波长可调性。

基于阵列的 QW 纳米线 LED 还通过在同一芯片上集成多个尺寸大大缩小的多波长 LED 来实现波分复用，为进一步提高通信容量提供了巨大的潜力。作为概念验证，在与图 3（e）所示的大型阵列生长相同的条件下生长了多个像素尺寸小于 5 µm 的微型 LED 阵列，并按 "ANU "字母排列。图 3(f) 展示了多个微型 LED 阵列在不同偏压下发射的红外相机图像，凸显了在同一芯片上集成多个多波长微型 LED 的前景。

总之，作者展示了选择性区域生长和制造高度均匀的 pi-n 核壳 InGaAs/InP 单 QW 纳米线阵列微型 LED，轴向和径向 QW 分别在 ~1.35 和 1.5 μm 波长处发出电致发光。由于带填充效应，纳米线阵列 LED 的电致发光光谱表现出强烈的偏压依赖性光谱偏移，这表明该 LED 可在电压控制下实现多波长（1.35-1.6 μm）工作，涵盖电信波长。

纳米线阵列 LED 与用于高速通信的波分复用和多输入多输出技术的巨大兼容性，通过在同一基底上单片生长和制造不同间距尺寸和大幅缩小阵列尺寸（宽度小于 5 μm）的纳米线阵列 LED 以及 GHz 级调制得到了进一步说明。这项工作为开发用于下一代集成光通信系统的纳米级片上光源提供了一条前景广阔的途径。

参考资料

Fanlu Zhang et al, High-speed multiwavelength InGaAs/InP quantum well nanowire array micro-LEDs for next generation optical communications, Opto-Electronic Science (2023). DOI: 10.29026/oes.2023.230003