《光电科学》新出版物;DOI 10.29026/oes.2023.230003概述了用于下一代片上光通信的多波长高速量子阱纳米线阵列微型led。
随着处理器核心数量的不断增加，将它们连接在一起的挑战也在增加。传统的电力网络由于延迟、有限的带宽和高功耗而存在不足。长期以来，研究人员一直在寻找更好的替代方案，而片上纳米光子系统已经成为传统电网的一个有前途的替代品。片上光网络利用光进行数据传输，比电信号有很大的优势。光比电快，可以通过多路复用技术传输更多的数据。片上光网络的关键是小型化光源，如微/纳米级激光器或发光二极管(led)。然而，大多数微/纳米led的发展都是基于可见波长的iii -氮化物材料系统。对于Li-Fi技术、光子集成电路(PICs)和生物应用的未来发展必不可少的高速红外微型led，在通信波长上的报道有限。外延生长的In(Ga)As(P)/InP纳米线对于电信波长范围内的小型化led和激光器具有巨大的潜力，因为它们的宽带隙可调性可以通过单个外延生长在单个芯片上实现多波长光源的单片集成，从而可以通过波分复用和多输入多输出技术提高数据传输能力。
本文作者展示了高均匀p-i-n核壳InGaAs/InP单量子阱(QW)纳米线阵列led的选择性面积生长和制造。图1(a, b)分别显示了单纳米线的QW LED结构示意图和具有高度均匀形貌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上的详细QW结构。为了探测QW的物质组成，我们还进行了图1(d)中的能量色散x射线光谱分析，清楚地表明，与InP势垒区相比，InGaAs QW区富含镓和砷。
如图2 (c, d)所示，QW纳米线led表现出强烈的偏倚依赖性电致发光(EL)，覆盖电信波长(1.35~1.6 μm)。从图2(d)的光谱中可以识别出两个突出的EL峰，其中一个波长为~1.5 μm的长波峰来自径向QW，另一个波长为~1.35 μm的短波峰来自轴向和径向QW的联合发射。由于存在两个EL峰，EL光谱的半峰全宽度可达286 nm左右，在光学相干层析成像和生物传感应用中具有很大的前景。随着偏置的增加，大量载流子注入填充了两个量子波的能带，导致发射光谱变宽和峰值波长的移动。
通过在同一衬底上生长不同间距(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谐性。图3(a)显示了不同节距尺寸纳米线阵列的代表性光致发光(PL)光谱，表明由于量子线厚度增加或铟掺入量子线，较大节距纳米线阵列的发光波长更长。然后在相同的衬底上制备了间距尺寸为0.8、1.0和2.0 μm的纳米线阵列led，其相应的电致发光(EL)光谱如图3(b)所示，其偏置为1.5 V，其趋势与PL光谱一致。大间距纳米线阵列LED的EL发射波长较长，偏置相关EL光谱的峰值波长从~1.57 μm(间距0.8 μm阵列)扩展到~1.67 μm(间距2.0 μm阵列)，覆盖了通信C波段。图3(c)总结了所有基音尺寸的偏置相关(从1到4 V) EL峰值波长，每种情况下都获得了超过100 nm的蓝移，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还提供了进一步提高通信容量的巨大潜力，通过在同一芯片上集成多个尺寸大大减小的多波长led来实现波分复用。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，以字母“ANU”排列成多个像素尺寸小于5µm的小尺寸微型led阵列。图3(f)展示了在不同偏置下发射的多个微型led阵列的红外摄像机图像，突出了在同一芯片上集成多个多波长微型led的前景。
综上所述，作者已经证明了选择性面积生长和高度均匀的p-i-n核壳InGaAs/InP单QW纳米线阵列微型led的制造，轴向和径向QW分别在~1.35和1.5 μm波长处产生电致发光。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置相关光谱偏移，表明其在覆盖电信波长的电压控制多波长(1.35 ~ 1.6 μm)范围内工作。纳米线阵列led在高速通信中与波分复用和多输入多输出技术的巨大兼容性进一步通过不同间距尺寸和大大减小阵列尺寸的纳米线阵列led的单片生长和制造得到证明(
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