径向截面示意图

长三角G60激光联盟导读

据悉，澳大利亚国立大学、中国东南大学、澳洲悉尼大学显微镜与微观分析中心和ARC变革性超光学系统卓越中心研究团队展示了基于InGaAs/InP单量子阱(QW)纳米线阵列的材料生长以及微LED器件的制备与表征，该研究在开发新一代集成光通信系统芯片的微/纳尺度光源的研究提供了一条新途径。相关研究以“High-speed multiwavelength InGaAs/InP quantum well nanowire array micro-LEDs for next generation optical communications”为题发表在《Opto-Electronic Science》上。

随着处理器芯片核心数量的不断增加，将它们物理互联在一起的挑战也在逐步增加。传统的片上网络有着延迟、有限的带宽和高功耗等不足。长期以来，研究团队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一个具有发展前景的的替代方案。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。对于可见光通信技术（Li-Fi）、光子集成电路(PICs)和生物应用的未来发展是必不可少的高速红外微型LED，但这在通信波长上的研究报道甚少。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。

关键词:InGaAs/InP /量子阱/纳米线/ LED

文中，研究团队报道了高均匀p-i-n InGaAs/InP单量子阱(QW)纳米线阵列发光二极管(LED)的材料生长和器件制造，具有多波长和高速运行。二维阴极发光映射表明，纳米线结构中的轴向和径向量子阱分别在~1.35和~1.55 μm波长处产生强发射，是低损耗光通信的理想选择。由于轴向量子阱和径向量子阱的共同作用，实现了线宽为286 nm的宽带电致发光，峰值功率为~17 μW。随着施加偏置的增加，观察到较大的光谱蓝移，这归因于基于器件仿真的带填充效应，并实现了在电信波长范围内的电压可调多波长工作。通过在同一衬底上制造不同间距尺寸的纳米线阵列LED，也可以实现多波长工作，从而形成具有不同发射波长的量子阱。此外，还展示了高速GHz级调制和小像素尺寸LED，显示了超快操作和超紧凑集成的发展前景。

图1(a, b) 分别显示了单个纳米线中量子阱结构的示意图和具有高度均匀形貌的纳米线阵列的扫描电镜(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：沿纳米线径向上的细致QW结构。为了探测QW的物质组成，研究团队还进行了图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。

图1：(a) p-i-n InGaAs/InP单量子瓦纳米线LED横向和垂直截面结构示意图。(b)间距为800 nm的纳米线阵列30°倾斜视图SEM图像。(c)不同放大倍数下纳米线的横截面HAADF-STEM图像，显示了纳米线的六边形形状和径向量子宽。(d) (c)中横截面区域的EDX元素图。

图2：(a) InGaAs/InP单QW纳米线沿生长轴的SEM-CL谱图。虚线矩形表示纳米线的相对位置。(b)分别从纳米线的顶部、中部和底部区域获得CL谱。(c)纳米线的SEM图像，白色箭头表示纳米线的生长方向。(d-e) 1250 ~ 1350 nm和1450 ~ 1550 nm光谱积分强度图。(f)叠加(d-e)的伪彩色CL图像，粉色和黄色区域分别表示1250-1350 nm和1450-1550 nm的集成CL强度，分别对应轴向和径向QW的发射。

如图3 (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3(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。

图3 ：(a)制备的纳米线阵列LED示意图。(b)典型纳米线阵列LED的L-I和I-V曲线。(c)室温下随电压变化的EL光谱。(d)由(c)得到的归一化电压依赖性EL光谱。(e)模拟电压依赖性自发发射光谱。(f)在1.2 V偏压时，显示了轴向和径向量子阱的解耦贡献下的模拟发射光谱。

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4(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4(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。

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4(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4(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。

图4：(a)从不同间距纳米线阵列顶部测量的具有代表性的PL光谱。(b)不同间距的纳米线阵列LED在正向偏置1.5 V下的发光光谱。(c)不同间距的纳米线阵列LED的偏置相关EL光谱的峰值波长。(d)间距0.8µm纳米线阵列LED在0.1、0.6和1 GHz调制频率下采集的TREL信号。(e)与字母“ANU”对应排列的纳米线阵列30°倾斜的SEM图像。(f) (e)中纳米线阵列LED在不同电流注入水平下发光的红外摄像机图像。

图5：(a)间距分别为0.8、1.0和2.0 μm的InGaAs/InP单QW纳米线的平均直径。(b)从不同间距的纳米线阵列顶部测量的具有代表性的PL光谱。(c)不同间距的纳米线阵列LED在正向偏置1.5 V下的发光光谱。(d)不同间距的纳米线阵列LED的偏置相关EL光谱的峰值波长。

在这项研究中，研究团队报道了p-i-n InGaAs/InP单量子阱纳米线阵列LED的生长和制造。由于不同晶面的结构变化，纳米线中的轴向和径向量子波分别在~1.35和~1.5 μm的通信波长上发射。Silvaco TCAD仿真表明，由于轴向和径向量子阱的带填充引起的光谱蓝移，随着偏置的增加，纳米线阵列LED的电致发光(EL)峰值波长偏移较大。多波长LED通过在同一衬底上集成不同间距尺寸的多个纳米线阵列来进一步展示，覆盖了一个大的通信窗口。此外，还展示了GHz级调制和小像素微型LED，表明其与WDM和MIMO技术具有良好的兼容性，可用于未来的超高速片上通信、PICs和Li-Fi应用。

相关文章链接：

Zhang FL, Su ZC, Li Z, Zhu Y, Gagrani N et al. High-speed multiwavelength InGaAs/InP quantum well nanowire array micro-LEDs for next generation optical communications. Opto-Electron Sci 2, 230003 (2023). doi: 10.29026/oes.2023.230003

https://phys.org/news/2023-08-multiwavelength-quantum-nanowire-array-micro-LED.html

长三角G60激光联盟陈长军转载

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