硅光子芯片设计突破结构限制瓶颈

　　当今的硅光子芯片必须采用复杂的制造制程连接光源与芯片，而且也和晶圆级堆栈密不可分。然而，德国慕尼黑工业大学（Technical University of Munich；TUM）的科学家们最近宣称，他们已经成功地在芯片上直接生长出直径360nm的垂直纳米激光器。这为在CMOS电路上的光子组件整合开启了新的光学端口。

　　由于各种材料具有不同的晶格参数以及不同的热膨胀系数，在硅晶上生长III-V族半导体经常导致应变并产生大量的缺陷，使得这些分层并不适用于打造可用的设备。

　　慕尼黑工业大学的研究团队首先单独在直径仅40-50nm占位空间的芯片上沉积砷化镓（GaAs）纳米线，以符合250nm二氧化硅（SiO2）交错层中的播种小孔直径。然后在透过可控制的横向生长选择性扩展GaAs纳米线直径以前，再用分子束外延（MBE）生长长度约10um 的内部核心纳米线至同轴雷射结构中。

　　

　　GaAs/AlGaAs纳米线（c）通过外部光泵的（a）尺寸测量与（b）雷射实验的SEM图

　　透 过改变其化学成份，研究人员们透过沉积多个六角形GaAs-AlGaAs核-壳（core-shell）结构，顺利打造出多层的量子阱（QW）。他们展示 在75nm厚的AlGaAs阻障层之间夹层8nm厚的GaAs QW，以及由7层8nm GaAs QW组成并以10nm AlGaAs阻障层隔离的多量子阱雷射结构。

　　

　　（a） 同轴GaAs-AlGaAs多层QW纳米线异质结构；（b）在Si上生长雷射结构的SEM影像；（c）相同结构的HAADF-STEM影像横截面，明亮处 是GaAs层，黑暗处则为AlGaAs区域；（d）相邻GaAs QW与AlGaAs阻障层的原子序对比（Z-contrast）功能与放大影像

　　在这两种设计中，核-壳层GaAs-AlGaAs纳米线仍以内部核心连接至硅基底，延伸至整个二氧化硅交错层（作为雷射作业的镜像）。在先前的作业中，研究人员们研究了分离式GaAs-AlGaAs核壳纳米激光器，并表征与探索其原生的特性与性能。

　　这项主题为“具有外延增益控制的同轴GaAs-AlGaAs核壳纳米线雷射”（Coaxial GaAs-AlGaAs core-multishell nanowire lasers with epitaxial gain control）的最新论文日前已发布于《应用物理快报》（Applied Physics Letters），研究人员们在文中展示成功在室温下以纳米线于硅基上实现近红外线雷射作业（采用调整至780nm的 Ti：蓝宝石雷射透过外部光激发）。

　　接下来，研究人员们希望透过化学抛光或沉积介电Bragg反射镜，从而改善纳米线雷射性能。此外，在实际应用时，激光器应该单向发射至可嵌套图案光子硬件（包括芯片波导）的底层硅。至于实际的整合，研究人员还需要电注入。“我们目前的研究目标专注于开发可在硅晶上实现电气泵纳米线激光器的方法，以及可发至底层光子电路的整合型激光器。截至目前为止，这些组件都是光子泵，但他们 是有选择性地在硅基底上在生长，”慕尼黑工业大学教授Jonathan J. Finley表示，“我们已经申请硅晶纳米线激光器的基本技术专利了，对于授权IP给相关产业也相当感兴趣。”