Jeff Hecht

美国加州大学伯克利分校常瑞华教授课题组成功地在硅上生长出了纳米柱III-V族半导体激光器，这一成果为光子学与电子电路的集成提供了新方法。之前，在硅上生长激光器面临的障碍主要来自以下两方面：(1) 硅工艺和III-V族半导体工艺处理温度不兼容；(2) 硅晶体和III-V族晶体晶格不匹配。常瑞华教授课题组成功地克服了这两项技术难题。

实现激光器和硅基电子器件的集成，对于未来的高性能计算至关重要。芯片上多个处理器内核之间、电路板上多个芯片之间的光互联，可以提供的信号传输速度远远高于电互连。硅可以制作成硅波导和硅探测器，但是由于它缺乏直接带隙，因此不能制作硅半导​​体激光器。目前研究人员正致力于将III-V族半导体激光器和硅技术结合起来。

英特尔公司和美国加州大学圣巴巴拉分校已经开发出一种混合激光器，其将含有二极管连接的磷化铟（InP）芯片绑定在硅芯片上的波导上。载流子在InP连接处复合，产生的光耦合进入硅波导，进而被路由到一个探测器。

常瑞华教授课题组的研究致力于在硅上直接生长砷化镓纳米柱。去年他们曾经报导了在硅上生长铟砷化镓（InGaAs）LED，现在他们又报导了在硅上生长InGaAs纳米柱激光器^{[1, 2]}。

谐振器的螺旋路径

InGaAs六角纳米柱的底边宽度为600μm，底边宽度从底部向顶部以约5°角的量呈锥形逐渐变小。另外，InGaAs表面上还覆盖有一薄层GaAs。该激光器采用光泵浦方式，泵浦源为掺钛蓝宝石激光器，其输出的波长为750nm、脉宽为120 fs的锁模脉冲从顶部照射纳柱泵浦激光器。该锥形纳米柱形成了一种新型谐振腔，950nm激光被侧面连续反射，沿着螺旋路径射入底面，然后耦合到硅中（如图）。

图：(a)一个柱状InGaAs激光谐振腔有六个侧面。(b)激光通过螺旋路径形成谐振腔，最终耦合进入硅衬底。

常瑞华教授课题组的实验研究表明，激光器可以在硅上生长，这是迈向光互连用激光器的关键一步。但是，要使该技术走向实用化，还有很多工作要做，其中挑战之一是实现芯片光互连所需的电泵浦激光器。目前，该研究小组已经展示了具有内部连接的纳米柱LED。

目前该项技术面临的另一个挑战是：InGaAs激光器输出的950 nm激光在硅中具有较强的传输损耗。磷化基激光器输出的长波长激光在硅中的传输距离远远超出1100 nm。该研究小组表示，通过优化生长技术以加入更多的铟，可以将激光器的输出波长延长^[3]。

到目前为止，该研究小组只在硅上生长激光器，但实际应用需要在已经具有CMOS电路的硅芯片上制备激光器。目前纳米柱的生长温度是400℃（远低于一般III-V族半导体工艺的处理温度），与CMOS工艺的处理温度兼容。

尽管还有许多问题有待解决，但常瑞华教授课题组对此项目仍持乐观态度。在硅上直接生长纳米柱激光器，不但可以提供更小的尺寸，而且能够实现更大的可扩展性，因而特别适合应用在高密度光电子学领域。研究人员预计，未来的电泵浦激光器将在光子学和电子电路的联姻中发挥更大作用。

参考文献

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).

美国本科留学 美国研究生留学 美国留学费用