Multiwellenlängen-Quantentopf-Nanodraht-Array-Mikro

28. August 2023

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Da die Anzahl der Kerne in einem Prozessor immer weiter zunimmt, wächst auch die Herausforderung, sie alle miteinander zu verbinden. Herkömmliche Stromnetze sind aufgrund von Latenz, begrenzter Bandbreite und hohem Stromverbrauch unzureichend. Forscher haben lange nach einer besseren Alternative gesucht, und nanophotonische On-Chip-Systeme haben sich als vielversprechender Ersatz für herkömmliche elektrische Netzwerke herausgestellt.

Optische On-Chip-Netzwerke nutzen Licht zur Datenübertragung und bieten große Vorteile gegenüber elektrischen Signalen. Licht ist schneller als Elektrizität und kann durch Multiplexing-Technologien größere Datenmengen transportieren. Der Schlüssel zu optischen On-Chip-Netzwerken sind miniaturisierte Lichtquellen wie Mikro-/Nanolaser oder Leuchtdioden (LEDs). Die meisten Entwicklungen zu Mikro-/Nano-LEDs basieren jedoch auf III-Nitrid-Materialsystemen im sichtbaren Wellenlängenbereich.

Es gibt nur begrenzte Berichte über Hochgeschwindigkeits-Infrarot-Mikro-LEDs bei Telekommunikationswellenlängen, die für die zukünftige Entwicklung der Li-Fi-Technologie, photonischer integrierter Schaltkreise (PICs) und biologischer Anwendungen unverzichtbar sind.

Epitaktisch gewachsene In(Ga)As(P)/InP-Nanodrähte bergen großes Potenzial für miniaturisierte LEDs und Laser im Wellenlängenbereich der Telekommunikation, da ihre Abstimmbarkeit mit großer Bandlücke die monolithische Integration von Lichtquellen mit mehreren Wellenlängen auf einem einzigen Chip durch ein einziges epitaktisches Wachstum ermöglichen könnte , was die Datenübertragungskapazität durch Wellenlängenmultiplex und Technologien mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen steigern könnte.

Die Autoren eines neuen Artikels, der in Opto-Electronic Science veröffentlicht wurde, demonstrieren das selektive Flächenwachstum und die Herstellung von äußerst gleichmäßigen Pin-Core-Shell-InGaAs/InP-Nanodraht-Array-LEDs mit einem Quantentopf (QW). Abbildung 1(a, b) zeigt das Schema der QW-LED-Struktur in einem einzelnen Nanodraht bzw. ein Rasterelektronenmikroskopbild (REM) eines Nanodraht-Arrays mit sehr gleichmäßiger Morphologie.

Die detaillierte QW-Struktur in radialer Richtung wird durch das ringförmige Hochwinkel-Dunkelfeld-Rastertransmissionselektronenmikroskopbild (HAADF-STEM) in Abbildung 1 (c) weiter deutlich. Um die Materialzusammensetzung des QW zu untersuchen, wurde auch die energiedispersive Röntgenspektroskopieanalyse in Abbildung 1(d) durchgeführt, die deutlich zeigt, dass der InGaAs-QW-Bereich im Vergleich zum InP-Barrierebereich gallium- und arsenreich ist.

Die QW-Nanodraht-LEDs zeigten eine starke vorspannungsabhängige Elektrolumineszenz (EL), die in Abbildung 2 (c, d) dargestellt ist und Telekommunikationswellenlängen (1,35–1,6 μm) abdeckt. Aus den in Abbildung 2(d) gezeigten Spektren können zwei markante EL-Peaks identifiziert werden, darunter ein langwelliger Peak bei ~1,5 μm, der aus dem radialen QW stammt, und ein kurzwelliger Peak bei ~1,35 μm aufgrund einer kombinierten Emission von axial und radial QWs. Aufgrund des Vorhandenseins von zwei EL-Peaks könnte die Halbwertsbreite des EL-Spektrums etwa 286 nm erreichen, was für Anwendungen in der optischen Kohärenztomographie und Biosensorik vielversprechend ist. Mit der erhöhten Vorspannung füllt die große Ladungsträgerinjektion die Energiebänder in beiden QWs, was zu verbreiterten Emissionsspektren und einer Verschiebung der Spitzenwellenlänge führt.

Die Multiwellenlängen-Abstimmbarkeit des QW-Nanodraht-Arrays wurde weiter durch das monolithische Wachstum von Nanodraht-Arrays mit unterschiedlichen Pitch-Größen (dh dem Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten Nanodrähten in einem Array) auf demselben Substrat demonstriert. Abbildung 3(a) zeigt die repräsentativen Photolumineszenzspektren (PL), die von Nanodraht-Arrays mit unterschiedlichen Pitch-Größen gesammelt wurden, und zeigt eine PL-Emission mit längerer Wellenlänge von Nanodraht-Arrays mit größerem Pitch aufgrund der erhöhten QW-Dicke oder des Indiumeinbaus in das QW.

Die Nanodraht-Array-LEDs mit Pitchgrößen von 0,8, 1,0 und 2,0 μm wurden dann auf demselben Substrat hergestellt, wobei die entsprechenden Elektrolumineszenzspektren (EL) bei einer Vorspannung von 1,5 V, wie in Abbildung 3(b) dargestellt, einen konsistenten Trend zeigen wie in den PL-Spektren. Die EL-Emission von Nanodraht-Array-LEDs mit größerem Abstand wurde bei einer längeren Wellenlänge beobachtet, wobei sich die Spitzenwellenlänge der vorspannungsabhängigen EL-Spektren von ~1,57 μm (Abstand 0,8 μm Array) auf ~1,67 μm (Abstand 2,0 μm Array) erstreckte deckt das Telekommunikations-C-Band ab.

Abbildung 3(c) fasst die vorspannungsabhängige EL-Spitzenwellenlänge (von 1 bis 4 V) für alle Tonhöhengrößen mit einer Blauverschiebung von mehr als 100 nm zusammen, die für jeden Fall erhalten wurde, was auf eine breite Abstimmbarkeit der Emissionswellenlänge im gesamten Telekommunikationswellenlängenbereich hinweist.

Die arraybasierten QW-Nanodraht-LEDs bieten auch großes Potenzial für eine weitere Steigerung der Kommunikationskapazität durch die Integration mehrerer Multiwellenlängen-LEDs mit stark reduzierter Größe auf demselben Chip, um Wellenlängenmultiplex zu erreichen. Als Machbarkeitsnachweis wurden mehrere kleine Mikro-LED-Arrays mit Pixelgrößen von weniger als 5 µm, angeordnet nach den Buchstaben „ANU“, unter den gleichen Bedingungen gezüchtet, die für das Wachstum großer Arrays verwendet wurden (siehe Abbildung 3(e). In Abbildung 3(f) sind mehrere Infrarotkamerabilder mehrerer Mikro-LED-Arrays dargestellt, die unter verschiedenen Vorspannungen emittieren. Dies unterstreicht die Aussicht auf die Integration mehrerer Mikro-LEDs mit mehreren Wellenlängen auf demselben Chip.

Zusammenfassend haben die Autoren ein selektives Flächenwachstum und die Herstellung äußerst gleichmäßiger Pin-Core-Shell-InGaAs/InP-Einzel-QW-Nanodraht-Array-Mikro-LEDs demonstriert, wobei axiale und radiale QWs zur Elektrolumineszenz bei Wellenlängen von ~1,35 bzw. 1,5 μm beitragen. Die Elektrolumineszenzspektren der Nanodraht-Array-LED zeigten aufgrund des Bandfüllungseffekts eine starke vorspannungsabhängige Spektralverschiebung, was auf einen spannungsgesteuerten Mehrwellenlängenbetrieb (1,35–1,6 μm) hindeutet, der Telekommunikationswellenlängen abdeckt.

Die große Kompatibilität der Nanodraht-Array-LEDs mit Wellenlängenmultiplex- und Multiple-Input-Multiple-Output-Technologien für die Hochgeschwindigkeitskommunikation wurde durch das monolithische Wachstum und die Herstellung von Nanodraht-Array-LEDs mit unterschiedlichen Rastermaßen und stark reduzierten Array-Größen weiter veranschaulicht (< 5 μm Breite) auf demselben Substrat sowie Modulation auf GHz-Ebene. Diese Arbeit bietet einen vielversprechenden Weg für die Entwicklung nanoskaliger On-Chip-Lichtquellen für integrierte optische Kommunikationssysteme der nächsten Generation.

Mehr Informationen: Fanlu Zhang et al., Hochgeschwindigkeits-Multiwellenlängen-InGaAs/InP-Quantentopf-Nanodraht-Array-Mikro-LEDs für die optische Kommunikation der nächsten Generation, Opto-Electronic Science (2023). DOI: 10.29026/oes.2023.230003

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