Szybkie macierze nanodrutów o wielu długościach fal dla nowej generacji komunikacji optycznej na chipie.

(Wiadomości z Nanwork) Wraz ze wzrostem liczby rdzeni procesora rośnie wyzwanie związane z połączeniem ich wszystkich w całość. Tradycyjne sieci elektryczne ulegają awariom z powodu opóźnień, ograniczonej przepustowości i dużego zużycia energii. Naukowcy od dawna poszukiwali lepszej alternatywy, a systemy nanofotoniczne w chipie okazały się obiecującą alternatywą dla konwencjonalnych sieci elektrycznych. Wbudowane w układy optyczne sieci wykorzystują światło do przesyłania danych, co zapewnia znaczną przewagę nad sygnałami elektrycznymi.

Światło, będąc szybsze od prądu elektrycznego, może przenosić większe ilości danych dzięki technikom multipleksowania. Kluczem do sieci optycznych na chipie są zminiaturyzowane źródła światła, takie jak lasery wielkości mikro/nano lub diody elektroluminescencyjne (LED).

Jednak większość osiągnięć w dziedzinie mikro/nanoLED opiera się na układach materiałów azotkowych III w zakresie widzialnych długości fal. Istnieją ograniczone doniesienia o szybkich mikrodiodach LED na podczerwień w zakresie fal komunikacyjnych, które są niezbędne dla przyszłego rozwoju technologii Li-Fi i fotonicznych układów scalonych (PIC) oraz zastosowań biologicznych.

Epitaksjalnie hodowane nanodruty In(Ga)As(P)/InP mają ogromny potencjał dla diod LED i zminiaturyzowanych laserów w telekomunikacyjnym zakresie długości fal, gdzie dostrojenie szerokiego pasma wzbronionego może umożliwić jednorodną integrację źródeł światła o wielu długościach fal w jednym chipie poprzez pojedynczy wzrost narzutu, co może zwiększyć przepustowość transmisji danych poprzez multipleksację z podziałem długości fal oraz technologie wielu wejść i wyjść.

Autorzy tego artykułu (Nauka optoelektroniczna, Szybkie, wielofalowe diody LED nanoprzewodowe InGaAs/InP do komunikacji optycznej nowej generacji) pokazuje selektywny dla regionu wzrost i wytwarzanie wysoce jednolitych diod LED InGaAs/InP z nanodrutowym rdzeniem pinowym. Ryc. 1. (a) Schemat ideowy struktury LED z pojedynczym nanodrutem QW InGaAs/InP z przekrojem poprzecznym i pionowym. ( b ) Obraz SEM ukośnego widoku 30 ° układu nanodrutów w temperaturze 800 nm. ( c ) Przekrojowy obraz nanodrutu HAADF-STEM przedstawiający sześciokątny kształt i promieniowy QW w różnych powiększeniach. (d) Surowe mapy EDX pola przekroju poprzecznego w (c). (zdjęcie: kompozyt)

Rysunek 1 (a, b) przedstawia odpowiednio schematyczny diagram struktury QW LED w pojedynczym nanodrucie i obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) układu nanodrutów o bardzo jednolitym kształcie. Szczegółową strukturę QW w kierunku promieniowym ujawnia również obraz ze skaningowej mikroskopii elektronowej w ciemnym polu pod dużym kątem (HAADF-STEM) na ryc. 1 (c). Aby zbadać skład fizyczny QW, przeprowadzono również spektroskopię rentgenowską z dyspersją energii na ryc. 1 (d), która wyraźnie pokazuje, że region InGaAs QW jest bogaty w GaN i arsen w porównaniu z obszarem barierowym InP.

Nanoprzewodowe diody LED QW wykazywały silną elektroluminescencję zależną od odchylenia (EL), jak pokazano na ryc. 2 (c, d), obejmującą długości fal telekomunikacyjnych (1,35 ~ 1,6 μm). Na widmach pokazanych na rys. 2(d) można zidentyfikować dwa wyraźne piki EL, w tym pik o długiej długości fali przy ~1,5 µm wynikający z promieniowego QW i pik o krótkiej długości fali przy ~1,35 µm w wyniku współemisji z osiowego i ukośne QW. Rysunek 2. (a) Schemat ideowy wytworzonego układu nanodrutów LED. ( b ) Krzywe LI i IV reprezentatywnej matrycy LED nanoprzewodu. (c) Zależne od napięcia widma EL w temperaturze pokojowej. (d) Znormalizowane widma EL zależne od napięcia z (c). (e) Symulowane widma emisji spontanicznej zależnej od napięcia. (f) Symulowane widmo emisji przy odchyleniu 1,2 eV, pokazujące oddzielny wkład współosiowej i promieniowej studni kwantowej. (zdjęcie: kompozyt)

Ze względu na obecność dwóch pików EL, pełna szerokość w połowie maksimum widma EL może osiągnąć około 286 nm, co jest bardzo obiecujące dla zastosowań w optycznej tomografii koherentnej i biosensorach. Wraz ze wzrostem odchylenia, wtrysk dużego nośnika wypełnia pasma energii w obu QW, co prowadzi do poszerzenia widm emisji i przesunięcia szczytowej długości fali.

Możliwość przestrajania układu nanodrutów QW na wielu długościach fali została dodatkowo wykazana przez jednorodny wzrost układów nanodrutów o różnych rozmiarach (tj. Odległość od środka do środka między sąsiednimi nanodrutami w układzie) na tym samym podłożu.

Rysunek 3(a) przedstawia reprezentatywne widma fotoluminescencji (PL) zebrane z układów nanodrutów o różnych rozmiarach podziałki, wykazując emisję PL o dłuższej długości fali z większych układów nanodrutów z powodu grubszego QW lub wbudowania indu w QW.

Następnie na tym samym podłożu wytworzono diody LED z matrycy nanodrutów o wielkości odstępu 0,8, 1,0 i 2,0 µm, z odpowiednimi widmami elektroluminescencji (EL) przy napięciu polaryzacji 1,5 V, jak pokazano na ryc. 3 (b), pokazując stałą trendu jako w widmach PL.

Emisję EL z większego układu nanodrutów zaobserwowano przy dłuższej długości fali, przy czym szczytowa długość fali widm EL zależnych od odchylenia rozciąga się od ~1,57 μm (układ 0,8 μm) do ~1,67 μm (układ 2,0 μm), co obejmuje Zakres kontaktu C. . Rysunek 3. (a) Reprezentatywne widma PL mierzone od góry układów nanodrutów o różnych rozmiarach. ( b ) Widma EL mierzono przy polaryzacji przewodzenia 1, 5 V z nanoprzewodowego układu LED o różnych rozmiarach. ( c ) Szczytowa długość fali zależnych od odchylenia widm EL układu nanodrutów LED o różnych rozmiarach. ( d ) Sygnał TREL zebrany z układu nanodrutów LED o średnicy 0, 8 μm i częstotliwości modulacji 0, 1, 0, 6 i 1 GHz. (e) Nachylony pod kątem 30° obraz SEM uporządkowanych układów nanodrutów odpowiadających literom „ANU”. (f) Obraz z kamery na podczerwień emisji EL z diod LED z układu nanoprzewodów w (e) przy różnych poziomach wtrysku prądu. (obrazek: Composcript)

Rysunek 3(c) podsumowuje zależną od odchylenia szczytową długość fali EL (od 1 do 4 eV) dla wszystkich rozmiarów skoku z przesunięciem niebieskim > 100 nm uzyskanym dla każdego warunku, wskazując możliwość szerokiego dostrojenia długości fali emisji w całym reżimie długości Komunikacja falowa.

Oparte na matrycy diody LED QW z nanoprzewodów oferują również ogromny potencjał dalszego zwiększania możliwości łączności poprzez integrację diod LED o wielu długościach fal o znacznie mniejszych rozmiarach w tym samym chipie, aby uzyskać multipleksowanie z podziałem długości fali.

Jako dowód koncepcji, wiele układów mikro-LED o rozmiarach pikseli <5 µm rozmieszczonych na literach „ANU” hodowano w tych samych warunkach, jakie zastosowano do wzrostu dużej matrycy pokazanej na ryc. 3 (e).

Na rys. 3(f) pokazano kilka obrazów z kamer na podczerwień przedstawiających wiele układów mikro-LED emitujących światło o różnym odchyleniu, co podkreśla obietnicę zintegrowania wielu diod LED o różnych długościach fali w tym samym chipie.

Podsumowując, autorzy wykazują selektywny obszarowo wzrost i wytwarzanie jednordzeniowych nanodrutowych diod LED InGaAs/InP, przy czym osiowe i ukośne QW przyczyniają się do elektroluminescencji przy długości fal odpowiednio około 1, 35 i 1, 5 μm.

Widma elektroluminescencji matrycy nanodrutowych diod LED wykazały silne przesunięcie widma zależne od odchylenia w wyniku efektu wypełniania pasm, co wskazuje na kontrolowany napięciem proces o wielu długościach fal (1,35–1,6 μm) obejmujący długości fal telekomunikacyjnych.

Wysoka kompatybilność diod LED z nanodrutów z multipleksacją z podziałem długości fali i technologiami wielu wejść i wyjść do szybkiej komunikacji została dodatkowo wykazana przez jednorodny wzrost i wytwarzanie diod LED z matrycy nanodrutów o różnych rozmiarach odstępów i znacznie mniejszych rozmiarach matrycy ( <5 µm na wyświetlaczu) na tym samym podłożu, a także modulacja na poziomie gigaherców. Praca ta stanowi obiecującą drogę do opracowania źródeł światła opartych na nanochipach na potrzeby zintegrowanych systemów komunikacji optycznej nowej generacji.