美國亞利桑那州立大學(ASU-Tempe)奈米光子實驗室(Nanophotonics Lab)與中國清華大學(北京)合作,展示了一種新型的晶載CMOS通訊雷射;據研究人員表示,這是首款可在室溫下發光的雷射器。該技術可用於傳送單一晶片上不同點之間的資訊,還可用於其他感測應用。

跨國研究團隊利用在奈米光束矽腔上放置二碲化鉬(MoTe2)單層的方式,打造出無需三五族(III-V)化合物的概念驗證元件。可在室溫下作業的特性,為新的雷射元件開啟了更多應用的可能性。其他同類型的研究雖然也採用類似的技術達到單層雷射發光,但僅限於在低溫下實現。

20170808_NanoLaser_NT02P1 以二碲化鉬單層在矽腔上打造的首款CMOS雷射(想像圖) (來源:Arizona State University)

二碲化鉬是一種結合鉬和碲的化合物,也被稱為過渡金屬硫族化物。在工業級波長範圍,這種半導體材料能在實現紅外線雷射的區域中發出螢光。當結晶至原子薄的單層時,則具有軟性、抗裂紋、幾近於透明月相容於CMOS等特性。

亞利桑那州立大學電子工程系教授寧存崢(Cun-Zheng Ning)表示:「我們開發的奈米光束腔是由標準的CMOS絕緣上矽(SOI)晶圓製造的。我們並未使用任何高溫處理——這通常會是CMOS製程上的顧慮。MoTe2單層的轉移成為一個簡單、機械化的過程。」

「換句話說,除了CMOS產業常見的標準製程步驟之外,我們別無選擇。」

如圖中呈現的奈米雷射架構,MoTe2單層被放置在被蝕刻鑽孔的薄晶圓光束上。這種配置成功且有效地放大光線到足以在紅外線通訊頻段範圍現雷射發光。

寧存崢以及清華大學研究人員Yongzhuo Li、Jianxing Zhang和Dandan Huang等人在《自然奈米技術》期刊上發表的「MoTe2單層整合矽奈米腔,實現室溫連續波雷射」(Room-temperature Continuous-wave Lasing from Monolayer Molybdenum Ditelluride Integrated with a Silicon Nanobeam Cavity)一文中詳細介紹這項研究。研究人員指出,增益介質可用於放大光子,而矽腔則限制或擷取光子。這樣的組合讓MoTe2單層能產生比傳統半導體材料更強100倍的激子,從而在常見的紅外線通訊波長實現室溫下雷射。

研究人員並補充說,這些技術可以被修改以偵測所產生的光,從而潛在地使得光子發射器和光子接收器能夠駐留在相同的CMOS晶片上。

20170808_NanoLaser_NT02P3 左上:SEM影像圖顯示矽光子晶體奈米光束,其中包含精心設計直徑和間距的蝕刻鑽孔陣列。右上:雷射場強度分佈顯示沿奈米光束的前三種模式。底圖:雷射結構示意圖,顯示在矽基板上懸浮的矽奈米光束,二氧化矽層其中已被蝕刻掉,在底部矽基板和頂部矽奈米光束之間留下氣隙。上面的淺紫色表示MoTe2的單分子層。(來源:Arizona State University)

如同一般的做法,概念驗證晶片採用非常低功耗的傳統雷射,以泵送MoTe2 CMOS雷射。寧存崢解釋,「目前它是由連續波氦氖雷射發射器以633奈米波長進行泵送,其所需要的閾值遠低於紅光雷射筆。」

研究人員的下一個目標是以電啟動和調整用於晶載光子的雷射,並讓電子和光子存在同一晶片上。「設計高效率的電流注入機制,是成功展示電注入雷射的關鍵。」寧存崢強調,「我們目前正致力於設計和測試製造。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Room-temp Laser-on-CMOS Achieved,by R. Colin Johnson)