Jeff Hecht

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校常瑞華教授課題組成功地在硅上生長(zhǎng)出了納米柱III-V族半導(dǎo)體激光器，這一成果為光子學(xué)與電子電路的集成提供了新方法。之前，在硅上生長(zhǎng)激光器面臨的障礙主要來(lái)自以下兩方面：(1) 硅工藝和III-V族半導(dǎo)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(xiàng)技術(shù)難題。

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

英特爾公司和美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校已經(jīng)開(kāi)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(dǎo)上。載流子在InP連接處復(fù)合，產(chǎn)生的光耦合進(jìn)入硅波導(dǎo)，進(jìn)而被路由到一個(gè)探測(cè)器。

常瑞華教授課題組的研究致力于在硅上直接生長(zhǎng)砷化鎵納米柱。去年他們?cè)��?jīng)報(bào)導(dǎo)了在硅上生長(zhǎng)銦砷化鎵（InGaAs）LED，現(xiàn)在他們又報(bào)導(dǎo)了在硅上生長(zhǎng)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(lán)寶石激光器，其輸出的波長(zhǎng)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(gè)柱狀InGaAs激光諧振腔有六個(gè)側(cè)面。(b)激光通過(guò)螺旋路徑形成諧振腔，最終耦合進(jìn)入硅襯底。

常瑞華教授課題組的實(shí)驗(yàn)研究表明，激光器可以在硅上生長(zhǎng)，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(shí)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(xiàng)技術(shù)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是：InGaAs激光器輸出的950 nm激光在硅中具有較強(qiáng)的傳輸損耗。磷化基激光器輸出的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光在硅中的傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出1100 nm。該研究小組表示，通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)技術(shù)以加入更多的銦，可以將激光器的輸出波長(zhǎng)延長(zhǎng)^[3]。

到目前為止，該研究小組只在硅上生長(zhǎng)激光器，但實(shí)際應(yīng)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(zhǎng)溫度是400℃（遠(yuǎn)低于一般III-V族半導(dǎo)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(wèn)題有待解決，但常瑞華教授課題組對(duì)此項(xiàng)目仍持樂(lè)觀態(tài)度。在硅上直接生長(zhǎng)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(kuò)展性，因而特別適合應(yīng)用在高密度光電子學(xué)領(lǐng)域。研究人員預(yù)計(jì)，未來(lái)的電泵浦激光器將在光子學(xué)和電子電路的聯(lián)姻中發(fā)揮更大作用。

參考文獻(xiàn)

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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