Micro de matriz de nanocables de pozo cuántico de longitud de onda múltiple

28 de agosto de 2023

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A medida que la cantidad de núcleos en un procesador continúa creciendo, también aumenta el desafío de conectarlos todos juntos. Las redes eléctricas tradicionales se quedan cortas debido a la latencia, el ancho de banda limitado y el alto consumo de energía. Los investigadores llevan mucho tiempo buscando una alternativa mejor y los sistemas nanofotónicos en chips han surgido como un sustituto prometedor de las redes eléctricas tradicionales.

Las redes ópticas en chip utilizan luz para la transmisión de datos, lo que ofrece grandes ventajas sobre las señales eléctricas. La luz, al ser más rápida que la electricidad, puede transportar mayores cantidades de datos mediante tecnologías de multiplexación. La clave para las redes ópticas en chip son las fuentes de luz miniaturizadas, como láseres de escala micro/nano o diodos emisores de luz (LED). Sin embargo, la mayoría de los desarrollos en micro/nano-LED se basan en sistemas de materiales de nitruro III en longitudes de onda visibles.

Ha habido informes limitados sobre micro-LED infrarrojos de alta velocidad en longitudes de onda de telecomunicaciones, indispensables para el desarrollo futuro de la tecnología Li-Fi, los circuitos integrados fotónicos (PIC) y las aplicaciones biológicas.

Los nanocables de In(Ga)As(P)/InP cultivados epitaxialmente tienen un gran potencial para LED y láseres miniaturizados en el rango de longitud de onda de telecomunicaciones, ya que su amplia capacidad de sintonización de banda prohibida podría permitir la integración monolítica de fuentes de luz de múltiples longitudes de onda en un solo chip a través de un único crecimiento epitaxial. , que podría aumentar la capacidad de transmisión de datos mediante multiplexación por división de longitud de onda y tecnologías de múltiples entradas y múltiples salidas.

Los autores de un nuevo artículo publicado en Opto-Electronic Science demuestran el crecimiento selectivo del área y la fabricación de LED de matriz de nanocables de un solo pozo cuántico (QW) de InGaAs/InP con núcleo y carcasa de clavija altamente uniformes. La Figura 1 (a, b) muestra el esquema de la estructura del LED QW en un solo nanocable y una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de una matriz de nanocables con una morfología altamente uniforme, respectivamente.

La estructura detallada de QW en la dirección radial se revela aún más mediante la imagen de microscopía electrónica de transmisión de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM) en la Figura 1 (c). Para probar la composición del material del QW, también se realizó el análisis de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía en la Figura 1 (d), que muestra claramente que la región QW de InGaAs es rica en galio y arsénico en comparación con la región de barrera de InP.

Los LED de nanocables QW exhibieron una fuerte electroluminiscencia (EL) dependiente del sesgo, que se muestra en la Figura 2 (c, d), que cubre longitudes de onda de telecomunicaciones (1,35 ~ 1,6 μm). Se pueden identificar dos picos EL prominentes a partir de los espectros que se muestran en la Figura 2 (d), incluido un pico de longitud de onda larga de ~1,5 μm que se origina en el QW radial y un pico de longitud de onda corta de ~1,35 μm debido a una emisión combinada de axial y radial. QW. Debido a la presencia de dos picos EL, el ancho total en la mitad del máximo del espectro EL podría alcanzar alrededor de 286 nm, lo que resulta muy prometedor para la tomografía de coherencia óptica y las aplicaciones de biodetección. Con el aumento del sesgo, una gran inyección de portadores llena las bandas de energía en ambas QW, lo que genera espectros de emisión ampliados y un cambio en la longitud de onda máxima.

La capacidad de sintonización de múltiples longitudes de onda de la matriz de nanocables QW se ha demostrado aún más mediante el crecimiento monolítico de matrices de nanocables con diferentes tamaños de paso (es decir, la distancia de centro a centro entre nanocables vecinos en una matriz) en el mismo sustrato. La Figura 3 (a) muestra los espectros de fotoluminiscencia (PL) representativos recopilados de matrices de nanocables con diferentes tamaños de paso, que muestran una emisión de PL de longitud de onda más larga de matrices de nanocables de paso más grande debido al mayor espesor de QW o la incorporación de indio en el QW.

Luego se fabricaron los LED de matriz de nanocables con tamaños de paso de 0,8, 1,0 y 2,0 μm en el mismo sustrato, con los espectros de electroluminiscencia (EL) correspondientes con una polarización de 1,5 V como se muestra en la Figura 3(b), lo que muestra una tendencia constante. como en los espectros PL. La emisión EL de LED con matriz de nanocables de paso más grande se observó en una longitud de onda más larga, con la longitud de onda máxima de los espectros EL dependientes del sesgo extendida desde ~1,57 μm (matriz de paso de 0,8 μm) a ~1,67 um (matriz de paso de 2,0 μm), lo que Cubre la banda C de telecomunicaciones.

La Figura 3 (c) resume la longitud de onda máxima EL dependiente del sesgo (de 1 a 4 V) para todos los tamaños de tono con un desplazamiento hacia el azul de más de 100 nm obtenido para cada caso, lo que indica una amplia capacidad de sintonización de longitud de onda de emisión en todo el régimen de longitud de onda de telecomunicaciones.

Los LED de nanocables QW basados ​​en matrices también ofrecen un gran potencial para aumentar aún más la capacidad de comunicación mediante la integración de múltiples LED de múltiples longitudes de onda con tamaños muy reducidos en el mismo chip para lograr la multiplexación por división de longitud de onda. Como prueba de concepto, se cultivaron múltiples conjuntos de micro-LED de tamaño pequeño con tamaños de píxeles inferiores a 5 µm dispuestos con las letras "ANU" en las mismas condiciones utilizadas para el crecimiento de conjuntos grandes que se muestran en la Figura 3 (e). En la Figura 3(f) se presentan varias imágenes de cámaras infrarrojas de múltiples matrices de micro-LED que emiten bajo diversos sesgos, lo que destaca la promesa de integrar múltiples micro-LED de múltiples longitudes de onda en el mismo chip.

En conclusión, los autores han demostrado el crecimiento selectivo del área y la fabricación de micro-LED de matriz de nanocables QW de InGaAs/InP con núcleo y carcasa de clavija altamente uniformes, con QW axiales y radiales que contribuyen a la electroluminiscencia en longitudes de onda de ~1,35 y 1,5 μm, respectivamente. Los espectros de electroluminiscencia del LED de matriz de nanocables mostraron un fuerte cambio espectral dependiente del sesgo debido al efecto de relleno de banda, lo que indica una operación de múltiples longitudes de onda (1,35–1,6 μm) controlada por voltaje que cubre longitudes de onda de telecomunicaciones.

La gran compatibilidad de los LED con matriz de nanocables con tecnologías de multiplexación por división de longitud de onda y múltiples entradas y salidas para comunicaciones de alta velocidad quedó aún más ilustrada por el crecimiento monolítico y la fabricación de LED con matriz de nanocables con diferentes tamaños de paso y tamaños de matriz muy reducidos. (< 5 μm de ancho) en el mismo sustrato, así como modulación a nivel de GHz. Este trabajo proporciona un camino prometedor para desarrollar fuentes de luz en chips a nanoescala para sistemas de comunicación óptica integrada de próxima generación.

Más información: Fanlu Zhang et al, MicroLED de matriz de nanocables de pozo cuántico InGaAs/InP de longitud de onda múltiple de alta velocidad para comunicaciones ópticas de próxima generación, Ciencia optoelectrónica (2023). DOI: 10.29026/oes.2023.230003

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