近日,中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所硅光課題組研究員武愛民團隊/龔謙團隊與浙江大學副教授金毅課題組合作,在硅基襯底上研制出超小尺寸的包含InAs量子點的納米共振結(jié)構(gòu),基于準BIC原理實現(xiàn)了O波段的片上發(fā)光。7月28日,相關(guān)研究成果以Heterogeneously integrated quantum-dot emitters efficiently driven by a quasi-BIC-supporting dielectric nanoresonator為題,在線發(fā)表在Photonics Research上,并被選為當期Highlight文章。
硅光集成技術(shù)具有大帶寬、低成本、低功耗和高集成度等優(yōu)勢,應(yīng)用于電信和數(shù)通的光互連,且在Lidar和醫(yī)療傳感及智能運算領(lǐng)域也頗具潛力。然而,由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體,不能直接發(fā)光,硅基光源是行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵難題。模組和系統(tǒng)中的光源仍利用III-V材料來實現(xiàn),工業(yè)界成熟的技術(shù)主要是利用高精度封裝將外部光源與硅光芯片耦合成組件。多材料體系的混合集成光源是行業(yè)發(fā)展的核心方向,以下方案備受關(guān)注:Flip-Chip混合集成、異質(zhì)鍵合以及硅基異質(zhì)外延。微系統(tǒng)所硅光團隊深耕硅光Flip-Chip光源領(lǐng)域,在集成芯片上開展高性能的應(yīng)用示范,近期合作提出結(jié)合異質(zhì)集成和InAs量子點的亞波長尺寸片上光源實現(xiàn)方法。量子點是納米尺度的零維結(jié)構(gòu),不僅對位錯缺陷比較鈍感,而且具備低閾值電流密度和高工作溫度等潛在性能。
基于多級共振原理的單粒子共振器具有豐富的共振方式,但光場局域能力弱且Q值不夠高,難以實際應(yīng)用于片上激光。準連續(xù)域束縛態(tài)(Quasi bound states in the continuum,QBICs)具有高局域性,為實現(xiàn)小尺寸以及陣列化的硅基發(fā)光器件開辟了新路徑。合作團隊通過MBE(分子束外延)生長了包含InAs量子點和應(yīng)變緩沖/釋放層以及GaAs包層的復(fù)合結(jié)構(gòu),利用剝離和異質(zhì)鍵合將復(fù)合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到硅基襯底上(SiO2層上),結(jié)合準BIC的物理機制,利用微納加工工藝實現(xiàn)了亞波長尺度的O波段的片上發(fā)光。科研團隊將III-V量子點外延和異質(zhì)鍵合技術(shù)相結(jié)合,消除了晶格失配的同時也避免了硅基外延的復(fù)雜多層緩沖層結(jié)構(gòu),對于大規(guī)模片上光集成更有利,具體工藝流程見圖1。圖2(a)為結(jié)構(gòu)示意圖,納米盤結(jié)構(gòu)中包括了2.2原子層厚度的InAs量子點,上下分別是2 nm和6 nm的應(yīng)變緩沖層和應(yīng)變釋放層,還包括上下的GaAs包層和AlAs犧牲層。InAs量子點位于盤的中心位置,以匹配準BIC模式的場分布,保證光與物質(zhì)充分的相互作用,該體系結(jié)構(gòu)可以增強量子點與準BIC之間的耦合,從而增強光致發(fā)光;圖2(b)為不同尺寸諧振器的PL譜結(jié)果,結(jié)果表明,納米諧振器半徑尺寸在420 nm時支持準BIC態(tài),此時Q因子為68(理論值達到229),相比未達到準BIC態(tài)時最高提升了11倍,這使光致發(fā)光強度最高提升了8倍。通過提高復(fù)合外延層的質(zhì)量以及優(yōu)化膜轉(zhuǎn)移工藝可以進一步增強發(fā)光性能。該研究為實現(xiàn)硅基集成的片上光源提供了頗有前景的解決方案,對于大規(guī)模的光集成提供了超小尺寸的新器件,進一步實現(xiàn)電致發(fā)光的片上光源則有望為硅基發(fā)光提供更有實用價值的解決方案。
研究工作得到國家自然科學基金、中科院青年創(chuàng)新促進會等的支持。
圖1.異質(zhì)集成的InAs量子點發(fā)光器件的工藝流程。
圖2.異質(zhì)集成量子點發(fā)光的實驗結(jié)果。(a)準BIC態(tài)的片上量子點發(fā)光實驗示意圖,包括樣品的SEM圖;(b)不同半徑尺寸的InAs量子點的共振器在通信波段的光致發(fā)光光譜結(jié)果;(c)不同半徑的共振器對應(yīng)的Q因子,藍色虛線對應(yīng)準BIC出現(xiàn)。