Jeff Hecht

美國加州大學伯克利分校常瑞華教授課題組成功地在硅上生長出了納米柱III-V族半導體激光器，這一成果為光子學與電子電路的集成提供了新方法。之前，在硅上生長激光器面臨的障礙主要來自以下兩方面：(1) 硅工藝和III-V族半導體工藝處理溫度不兼容；(2) 硅晶體和III-V族晶體晶格不匹配。常瑞華教授課題組成功地克服了這兩項技術(shù)難題。

實現(xiàn)激光器和硅基電子器件的集成，對于未來的高性能計算至關(guān)重要。芯片上多個處理器內(nèi)核之間、電路板上多個芯片之間的光互聯(lián)，可以提供的信號傳輸速度遠遠高于電互連。硅可以制作成硅波導和硅探測器，但是由于它缺乏直接帶隙，因此不能制作硅半導​​體激光器。目前研究人員正致力于將III-V族半導體激光器和硅技術(shù)結(jié)合起來。

英特爾公司和美國加州大學圣巴巴拉分校已經(jīng)開發(fā)出一種混合激光器，其將含有二極管連接的磷化銦（InP）芯片綁定在硅芯片上的波導上。載流子在InP連接處復合，產(chǎn)生的光耦合進入硅波導，進而被路由到一個探測器。

常瑞華教授課題組的研究致力于在硅上直接生長砷化鎵納米柱。去年他們曾經(jīng)報導了在硅上生長銦砷化鎵（InGaAs）LED，現(xiàn)在他們又報導了在硅上生長InGaAs納米柱激光器^{[1, 2]}。

諧振器的螺旋路徑

InGaAs六角納米柱的底邊寬度為600μm，底邊寬度從底部向頂部以約5°角的量呈錐形逐漸變小。另外，InGaAs表面上還覆蓋有一薄層GaAs。該激光器采用光泵浦方式，泵浦源為摻鈦藍寶石激光器，其輸出的波長為750nm、脈寬為120 fs的鎖模脈沖從頂部照射納柱泵浦激光器。該錐形納米柱形成了一種新型諧振腔，950nm激光被側(cè)面連續(xù)反射，沿著螺旋路徑射入底面，然后耦合到硅中（如圖）。

圖：(a)一個柱狀InGaAs激光諧振腔有六個側(cè)面。(b)激光通過螺旋路徑形成諧振腔，最終耦合進入硅襯底。

常瑞華教授課題組的實驗研究表明，激光器可以在硅上生長，這是邁向光互連用激光器的關(guān)鍵一步。但是，要使該技術(shù)走向?qū)嵱没�，還有很多工作要做，其中挑戰(zhàn)之一是實現(xiàn)芯片光互連所需的電泵浦激光器。目前，該研究小組已經(jīng)展示了具有內(nèi)部連接的納米柱LED。

目前該項技術(shù)面臨的另一個挑戰(zhàn)是：InGaAs激光器輸出的950 nm激光在硅中具有較強的傳輸損耗。磷化基激光器輸出的長波長激光在硅中的傳輸距離遠遠超出1100 nm。該研究小組表示，通過優(yōu)化生長技術(shù)以加入更多的銦，可以將激光器的輸出波長延長^[3]。

到目前為止，該研究小組只在硅上生長激光器，但實際應用需要在已經(jīng)具有CMOS電路的硅芯片上制備激光器。目前納米柱的生長溫度是400℃（遠低于一般III-V族半導體工藝的處理溫度），與CMOS工藝的處理溫度兼容。

盡管還有許多問題有待解決，但常瑞華教授課題組對此項目仍持樂觀態(tài)度。在硅上直接生長納米柱激光器，不但可以提供更小的尺寸，而且能夠?qū)崿F(xiàn)更大的可擴展性，因而特別適合應用在高密度光電子學領(lǐng)域。研究人員預計，未來的電泵浦激光器將在光子學和電子電路的聯(lián)姻中發(fā)揮更大作用。

參考文獻

1. L.C. Chuang, "InGaAs QW nanopillar light emitting diodes monolithically grown on a Si substrate." 2010 Conference on Lasers and Electro-Optics, paper CMFF6 (OSA, 2010).

2. R. Chen et al., Nature Photon.; doi: 10.1038/NPHOTON.2010.315.

3. M. Moewe et al., Opt. Exp., 17, 7831 (2009).

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