美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)的研究人員展示採用相容Si-CMOS光學微影製程的三五(III-V)族奈米柱LED設計,同時還能控制這些奈米LED的精確生長位置——這是在CMOS電路中有效整合光子,從而實現快速晶片上光互連的關鍵元素。

研究人員在《ACS Photonics》期刊發表「以電信波長在具有明亮電致發光的矽晶上實現超微型位置控制的InP奈米柱LED」(Ultracompact Position-Controlled InP Nanopillar LEDs on Silicon with Bright Electroluminescence at Telecommunication Wavelengths)一文中指出,控制生長位置的良率高達90%,可在矽晶上實現均勻的磷化銦(InP)奈米柱陣列,在CMOS相容的條件下生長:低溫且無需催化劑。

20170329_lednanopillar_NT01P2 位置可控制的InP奈米柱陣列在460℃時生長的低倍數放大SEM圖 所有影像中的比例尺分別對應至10μm以及1μm、4μm和40μm的生長周期(間距)

研究人員先從乾淨的矽晶圓(111)開始,在350℃下將140nm的二氧化沉積至直徑約320nm的奈米級孔徑中,以1μm-40μm的間距定位奈米柱成核位置。研究人員以化學方式使矽晶表面變得粗糙後,再以450℃~460℃的溫度在MOCVD腔中生長InP奈米結構。研究人員發現,奈米柱的錐角明顯受到生長溫度的影響,在450℃時產生奈米針,而在460℃下幾乎是垂直的柱狀結構。

研究人員在這些奈米柱的基礎上,透過同中心的核心-外殼(core-shell)生長,在pn二極體的主動區內併入五個砷化鎵銦(InGaAs)量子阱,形成電驅動的n-InP/InGaAs MQW/p-InP/p-InGaAs奈米LED。

20170329_lednanopillar_NT01P1 奈米柱MQW LED元件示意圖

由於核心-外殼的生長模式,奈米柱由其成核位置生長而出,並延展至氧化物開口以外,達到約1μm的最終直徑。因此,當奈米柱的n摻雜核心與n-Si基板直接接觸時,p摻雜的外殼在氧化物遮罩上生長,消除了從p摻雜的外殼和n-Si基板的分流路徑。20/200nm的Ti/Au透過傾斜的電子束蒸發到高度p摻雜的InGaAs接觸層,完成該元件以形成電接觸,其中奈米柱的小部份區域外露,而且沒有金屬作為LED光輸出的窗口。

為奈米柱狀LED進行表徵,在1510nm以及約30%的量子效率下進行射。雖然奈米柱LED的佔位空間小,但可輸出4μW功率,研究人員宣稱這是從奈米柱/奈米結構LED所能實現的最高光輸出記錄。在此建置下,由於收集效率僅5%,可用的光輸出降至200nW。

該研究的另一個有趣之處是,該元件能以電偏置產生光增益,並在反向注入時表現出強光響應,使其有助於實現晶片上的光子整合。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Si-CMOS compatible nanopillar LEDs promise accurate photonics integration,by Julien Happich)