Micro array di nanofili a pozzo quantico multilunghezza d'onda

28 agosto 2023

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Poiché il numero di core di un processore continua a crescere, aumenta anche la sfida di collegarli tutti insieme. Le reti elettriche tradizionali non sono all’altezza a causa della latenza, della larghezza di banda limitata e dell’elevato consumo energetico. I ricercatori cercano da tempo un’alternativa migliore e i sistemi nanofotonici su chip sono emersi come un promettente sostituto delle reti elettriche tradizionali.

Le reti ottiche su chip utilizzano la luce per la trasmissione dei dati, offrendo grandi vantaggi rispetto ai segnali elettrici. La luce, essendo più veloce dell’elettricità, può trasportare maggiori quantità di dati attraverso le tecnologie multiplexing. La chiave per le reti ottiche su chip sono le sorgenti luminose miniaturizzate come laser su scala micro/nano o diodi emettitori di luce (LED). Tuttavia, la maggior parte degli sviluppi sui micro/nano-LED si basano su sistemi di materiali in nitruro III a lunghezze d'onda visibili.

Sono disponibili rapporti limitati sui microLED infrarossi ad alta velocità alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, indispensabili per il futuro sviluppo della tecnologia Li-Fi, dei circuiti integrati fotonici (PIC) e delle applicazioni biologiche.

I nanofili In(Ga)As(P)/InP cresciuti epitassialmente hanno un grande potenziale per LED e laser miniaturizzati nella gamma di lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, poiché la loro ampia sintonizzazione di banda proibita potrebbe consentire l'integrazione monolitica di sorgenti luminose a più lunghezze d'onda su un singolo chip attraverso una singola crescita epitassiale , che potrebbe aumentare la capacità di trasmissione dei dati mediante il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda e le tecnologie a ingressi multipli e uscite multiple.

Gli autori di un nuovo articolo pubblicato su Opto-Electronic Science dimostrano la crescita di un'area selettiva e la fabbricazione di LED a matrice di nanofili InGaAs/InP a pozzo quantico singolo (QW) altamente uniformi. La Figura 1 (a, b) mostra rispettivamente lo schema della struttura del LED QW in un singolo nanofilo e un'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) di una matrice di nanofili con morfologia altamente uniforme.

La struttura QW dettagliata nella direzione radiale è ulteriormente rivelata dall'immagine al microscopio elettronico a trasmissione a scansione anulare in campo scuro ad alto angolo (HAADF-STEM) nella Figura 1 (c). Per sondare la composizione materiale del QW, è stata eseguita anche l'analisi spettroscopica a raggi X a dispersione di energia nella Figura 1 (d), mostrando chiaramente che la regione QW di InGaAs è ricca di gallio e arsenico rispetto alla regione della barriera InP.

I LED a nanofili QW mostravano una forte elettroluminescenza (EL) dipendente dal bias, mostrata nella Figura 2 (c, d), che copriva le lunghezze d'onda delle telecomunicazioni (1,35 ~ 1,6 μm). Due picchi EL prominenti possono essere identificati dagli spettri mostrati nella Figura 2 (d), incluso un picco di lunghezza d'onda lunga a ~ 1,5 μm proveniente dal QW radiale e un picco di lunghezza d'onda corta a ~ 1,35 μm dovuto a un'emissione combinata da assiale e radiale QW. A causa della presenza di due picchi EL, l'intera larghezza a metà massimo dello spettro EL potrebbe raggiungere circa 286 nm, mostrando una grande promessa per la tomografia a coerenza ottica e le applicazioni di biorilevamento. Con l’aumento del bias, l’iniezione di grandi portatori riempie le bande di energia in entrambe le QW, portando ad uno spettro di emissione più ampio e ad uno spostamento della lunghezza d’onda di picco.

La sintonizzabilità multi-lunghezza d'onda della matrice di nanofili QW è stata ulteriormente dimostrata attraverso la crescita monolitica di matrici di nanofili con diverse dimensioni del passo (cioè la distanza da centro a centro tra nanofili vicini in una matrice) sullo stesso substrato. La Figura 3 (a) mostra gli spettri rappresentativi della fotoluminescenza (PL) raccolti da array di nanofili con diverse dimensioni di passo, mostrando un'emissione PL di lunghezza d'onda più lunga da array di nanofili a passo più grande a causa dell'aumento dello spessore QW o dell'incorporazione di indio nel QW.