Pozo cuántico nanométrico de alta velocidad y múltiples longitudes de onda

Una nueva publicación de Ciencia optoelectrónica; YO 10.29026/oes.2023.230003 información sobre micro-LED de matriz de nanocables de pozo cuántico de múltiples longitudes de onda y alta velocidad para la comunicación óptica en chip de próxima generación.

A medida que la cantidad de núcleos de un procesador continúa creciendo, también aumenta el desafío de conectarlos todos juntos. Las redes eléctricas tradicionales fallan 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 un chip han surgido como un sustituto prometedor de las redes eléctricas tradicionales. Las redes ópticas en chip utilizan la 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 chips reside en fuentes de luz miniaturizadas, como láseres de escala micro/nano o diodos emisores de luz (LED). Sin embargo, la mayoría de los avances en micro/nano-LED se basan en sistemas de materiales de nitruro III en longitudes de onda visibles. Hay pocos informes sobre micro-LED infrarrojos de alta velocidad en longitudes de onda de telecomunicaciones, que son esenciales 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 muestran un gran potencial para LED y láseres miniaturizados en el rango de longitud de onda de las 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 gracias a un solo 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 este artículo demuestran el crecimiento y la fabricación de áreas selectivas de LED de matriz de nanocables de InGaAs/InP de pozo cuántico único (QW) altamente uniformes. La Figura 1 (a, b) muestra respectivamente el esquema de la estructura del LED QW en un solo nanocables y una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de una serie de nanocables con una morfología altamente uniforme. 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 gran angular (HAADF-STEM) en la Fig. 1 (c). Para probar la composición del material de QW, también se realizó el análisis de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía de la Fig. 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 de la polarización, que se muestra en la Fig. 2 (c, d), que abarca 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 aproximadamente 1,5 μm desde el QW radial y un pico de longitud de onda corta de aproximadamente 1,35 μm debido a la emisión axial y radial combinada. QW. Debido a la presencia de dos picos EL, la mitad del ancho completo del espectro EL podría alcanzar alrededor de 286 nm, lo que es muy prometedor para aplicaciones de biodetección y tomografía de coherencia óptica. Con el aumento del sesgo, una gran inyección de portadoras llena las bandas de energía en ambas QW, lo que lleva a un espectro de emisión ampliado y un cambio máximo de longitud de onda.

La capacidad de sintonización de múltiples longitudes de onda de la matriz de nanocables QW se demostró 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 red) en el mismo sustrato. La Figura 3 (a) muestra 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 del QW o la incorporación de indio en el QW. Luego se fabricaron LED de matriz de nanocables con pasos de 0,8, 1,0 y 2,0 µm en el mismo sustrato, con espectros de electroluminiscencia (EL) correspondientes a 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 una matriz de LED de nanocables de paso más grande se ha observado en una longitud de onda más larga, con la longitud de onda máxima de los espectros EL dependientes de la polarización extendida de ~1,57 μm (rejilla de paso de 0,8 μm) a ~1,67 um (rejilla de paso de 2,0 μm) , que cubre la banda C de telecomunicaciones. La Figura 3 (c) resume la longitud de onda máxima EL dependiente de la polarización (de 1 a 4 V) para todos los tamaños de paso 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 transmisión en todo el régimen de longitud de onda de telecomunicaciones.

Los LED QW de nanocables 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 ultrapequeños en el mismo chip para lograr la multiplexación por división de longitud de onda. Como prueba de concepto, se cultivaron varios conjuntos pequeños de micro-LED con tamaños de píxeles inferiores a 5 μm dispuestos según las letras «ANU» en las mismas condiciones utilizadas para el cultivo de conjuntos grandes que se muestran en la Figura 3(e). En la Figura 3(f) se muestran varias imágenes de cámaras infrarrojas de múltiples conjuntos de micro-LED que emiten en diversas polarizaciones, lo que destaca la promesa de integrar múltiples micro-LED de múltiples longitudes de onda en el mismo chip.

Para concluir, los autores demostraron el crecimiento selectivo de área y la fabricación de micro-LED de matriz de nanocables QW de InGaAs/InP altamente uniformes, con QW axiales y radiales que contribuyen a la electroluminiscencia en longitudes de onda de aproximadamente 1,35 y 1,5 μm, respectivamente. Los espectros de electroluminiscencia del LED de matriz de nanocables exhibieron un fuerte cambio espectral dependiente de la polarización debido al efecto de relleno de banda, lo que indica una operación de múltiples longitudes de onda (1,35–1,6 μm) que abarca longitudes de onda de telecomunicaciones controladas por voltaje. La amplia compatibilidad de los LED de matriz de nanocables con multiplexación por división de longitud de onda y tecnologías de múltiples entradas y salidas para comunicaciones de alta velocidad quedó aún más ejemplificada por el crecimiento monolítico y la fabricación de LED de matriz de nanocables con diferentes tamaños de paso y tamaños de rejilla muy pequeños. (< 5 μm de ancho) sobre el mismo sustrato, así como modulación a nivel de GHz. Este trabajo es una vía prometedora para el desarrollo de fuentes de luz a nanoescala en chips para sistemas de comunicación óptica integrada de próxima generación.

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El Grupo de Optoelectrónica y Nanotecnología de Semiconductores de la Universidad Nacional de Australia se ha centrado en el desarrollo de nuevos materiales y dispositivos basados ​​en nanoestructuras semiconductoras compuestas unidimensionales III-V, es decir, nanocables, y varios trabajos fundamentales han contribuido significativamente a la comprensión y el desarrollo fundamentales. en el campo. Durante las últimas dos décadas, el grupo ha sido pionero en el crecimiento epitaxial de semiconductores III-V de baja dimensión mediante deposición química de vapor metalorgánico (MOCVD). El grupo demostró una variedad de materiales de nanocables III-V cultivados mediante el mecanismo vapor-líquido-sólido (VLS) (incluidos InGaAs, GaAs, GaAs/AlGaAs, InAs, InP y GaAsSb, etc.) y desarrolló SiO.₂ Técnica de epitaxia de área selectiva (SAE) basada en plantillas para desarrollar materiales y estructuras de matrices de nanocables para una amplia gama de aplicaciones de dispositivos, incluidos láseres, LED, células solares, fotodetectores y sensores químicos.

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Ciencia optoelectrónica (OES) es una revista internacional, interdisciplinaria, de acceso abierto y revisada por pares publicada por el Instituto de Óptica y Electrónica de la Academia China de Ciencias como revista hermana de Avances en optoelectrónica (OEA,FI=9.682). OES se dedica a proporcionar una plataforma profesional para promover el intercambio académico y acelerar la innovación. OES publica artículos, reseñas y cartas sobre avances fundamentales en la ciencia básica de la óptica y la optoelectrónica.

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Zhang FL, Su ZC, Li Z, Zhu Y, Gagrani N et al. Micro-LED de matriz de nanocables de pozo cuántico InGaAs/InP de múltiples longitudes de onda de alta velocidad para comunicaciones ópticas de próxima generación. ciencia optoelectrónica 2, 230003 (2023). Yo: 10.29026/oes.2023.230003