用纳米线瞄准电信

用纳米线瞄准电信

以下文章来源于化合物半导体联盟 ，作者化合物半导体杂志

化合物半导体联盟

《化合物半导体》（CSC）是全球最重要和最权威的杂志Compound Semiconductor的“姐妹”杂志，亦是中国唯一专注于化合物半导体产业的权威杂志，重点介绍国外先进技术和产业化经验，促进国内产业发展，为国内读者提供行业的专业知识。

纳米线激光器可以为电信业提供一种可广泛调谐的、易于与硅光子学集成的光源。

NTT公司 张国强

我们行业生产的几乎所有器件都是由化合物半导体异质结形成的。通过控制外延结构中每一层的成分、掺杂和厚度，我们能够制造出具有优良特性的各种器件。

一种这样的装置是基于InP的边发射激光器。这种激光器在1.2μm到1.6μm的光谱范围内工作，销售额高达数十亿美元，是光通信网络的关键组成部分。

为了生产这些电信激光器，工程师们将InP衬底加载到MOCVD反应器中，并沉积包含InP和InGaAs(P)层的外延堆栈。这是一种有利有弊的材料组合--通过调整成分，设计者可以调整激光器的发射波长，目标是光纤中的吸收值最小；但InP与其相关合金之间的晶格和热膨胀系数存在不匹配，这阻碍了进一步集成到功能系统和平台中。

在日本NTT，我们正在开发一种不受这些问题阻碍的技术。为了打破束缚，我们正朝着一个新的方向前进—我们采用了一种能够更好地适应应变的纳米线结构，而不是使用平面材料。这为异质结构和功能器件开辟了新的机遇。

凭借我们的纳米线激光器可以将发光波长精确地定位到1.2μm到1.6μm的范围内，也为通过光纤传输数据提供了很有潜力的光源，这使得我们有机会转向成熟的硅光子学平台进行集成--这是因为硅在电信波长下是透明的。

我们用InP/InAs量子异质结纳米线组成了我们的电信波段单纳米线激光器。InP和InAs的配对可以创建包括电信波段在内的宽光谱范围的量子异质结，这要归功于InAs量子盘沿轴向的实质性量子限制(见图1)。

图1.(A)Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的禁带宽度和晶格常数。InP/InAs可以覆盖很宽的光谱范围，包括电信波段。(B)由单个铟粒子连接的InP/InAs异质结纳米线的晶格匹配约束远没有传统异质结中的严重。在这些纳米线中，沿轴向的量子限制效应使得InAs层的真实带隙可以通过厚度来调节。

掌握不匹配

在平面结构中，由于严重的晶格失配-3.1%(见图2(A)-(C))，在InP上生长InAs层往往会导致InAs有源层中的高密度位错(见图2(A)-(C))。这种失配使得形成具有优异光学性能的无位错InAs有源层极具挑战性。

这与纳米线结构的情况截然不同。由于其纳米级的直径，纳米线的晶格可以通过横向变形，从而缓解晶格失配引起的应变(见图2(D))。当晶格失配较大时，纳米线异质结构可以承受应变，从而可以形成无位错的有源区。最常见的纳米线合成方法是自下而上的气-液-固生长法。它在成分、掺杂、异质结构结构和直径方面具有很高的可控性(见图3)。

图2.晶格失配的晶体材料的应变松弛在传统异质结构和纳米线之间有所不同。(A)外延前的晶体材料晶格。(B)表层晶格弹性形变的共格生长。(C)非共格生长(失配位错引起的应变弛豫)。(D)通过两个晶格的弹性变形进行相干生长。与薄膜结构相比，纳米线结构中的晶格由于其微米级或纳米级的直径，可以更大程度地沿径向变形。也真是得益于这一点，纳米线可以承受更高的晶格失配引起的应变。

图3.汽-液-固生长模式示意图。铟纳米线和磷化铟纳米线可以使用铟颗粒通过自催化气-液-固模式进行轴向生长。

研究人员使用金颗粒催化的气-液-固生长方法来制造各种纳米线，包括基于GaAs和InP的纳米线。使用金并是不理想的，因为它与主流的CMOS工艺不兼容，因此阻碍了光学有源III-V族纳米线与硅技术的集成。通过气-液-固生长方法生产化合物半导体纳米线的更好的替代方案是基于III族元素或V族元素的粒子催化剂，在这两种元素中，前者更合适。

我们建立了一种通过自催化气-液-固生长模式制备InP/InAs异质结构纳米线的生长技术。这种方法提供了高度的可控性，允许我们将多个在电信领域发射的InAs量子盘插入我们的InP纳米线中(见图4)。

我们结构的高质量在高角度环形暗场扫描透射电子显微镜中是显而易见的，它显示了沿[011]方向的多个量子盘层(见图4(C))。我们的结构是由沿轴向占主导地位的气-液-固生长模式造成的。由于生长温度较低，通过传统的薄膜生长模式，径向的生长可以忽略不计--这就是非催化模式。在所有这些因素的作用下，有很高的生长可控性，确保了整个多量子盘区增益介质的均匀性。

用高分辨率扫描隧道电子显微镜对我们的纳米线成像，使我们能够直接观察到InP/InAs异质结构的堆叠和界面特征(见图4 (d)和(e))。尽管InP和InAs之间有3.1%的晶格失配，但这些图像突出了InAs/InP的无位错界面。当InAs生长在InP上时，界面原子级突变(见图4(c))；当磷化铟加到砷化铟上时，由于砷在铟催化剂颗粒中的强储库效应，形成了一个梯度层。由于InP/InAs多量子盘结构中的相干界面，由晶格失配引起的应变相对较高。由于InP层比InAs圆片厚得多，所以后者存在压缩应变。

图4.InP/InAs多量子盘(MQD)纳米线。(A)MQD异质结纳米线示意图和突出InP/InAs MQD结构的异质结放大图。InAs层以红色表示。(B)在InP(111)B衬底上生长的InP/InAs多量子点纳米线的扫描电子显微镜图像(倾斜度：38o)。(C)沿[011]区轴拍摄的InP/InAs多量子点纳米线的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像。纳米线包含400个InP/InAs异质结单元。(D)和(E)像差校正的InP/InAs异质结沿[011]区轴方向的HAADF-STEM图像。水平白色箭头表示生长方向。InAs层厚度为9.0±1 nm，InP势垒层厚度为25.6±1 nm。

创建腔

我们转向显微光致发光来表征纳米线的光学特性。当它们被机械分散到异质衬底上时，我们可以去除尖端的铟颗粒，从而形成(111) 镜面，从而形成F-P腔。该结构具有本征的F-P型共振模式，其在较宽的直径范围内具有足够大的模式指数。

通过光学泵浦我们的纳米线会导致激光行为。通过测量大量单根纳米线的光致发光，发现它们具有较宽的自发发射光谱，峰值波长在1.57μm-1.59μm之间，当激发功率为2.15mJcm-2时，出现以1573 nm为中心的尖峰。通过改变激发功率来绘制光的输入-输出曲线，揭示了从自发辐射到受激发射的强烈转变。

我们的纳米线激光器的优点之一是它们的波长可以在很大范围内调谐，比如整个电信频段。通过在很大范围内调节单个InAs量子盘的厚度，我们能够调制光子发射能量。为了调整光盘的厚度，我们改变了源材料的流速(参见图6)。基于这种方法实现的结果，我们的纳米线有望在很大范围内提供对激光波长的调制。我们可以通过形成具有纤锌矿晶体结构的纯InAs纳米线(注意，在这些结构中不存在量子限制效应)，将其延伸到2.6μm的红外波段。

到目前为止，我们已经描述了光泵浦器件。然而，包括光子集成在内的许多应用都需要电流注入光发射器。要实现单根纳米线的电流注入激光是非常具有挑战性的，因为与它们直接电接触会恶化光限制。然而，我们已经朝着这个目标迈出了重要的一步，展示了可发射电信波长范围光波p-i-n结构纳米线LED。这些电流注入发射器的制造开始于InP/InAs p-i-n结构的生长，采用自催化的气-液-固模式。在InP(111)B衬底上生长可实现垂直排列的纳米线(见图7)。它们的特点是InAs有源层薄至约9 nm。由于这明显低于块状晶体InAs的玻尔半径(约34 nm)，这确保了沿轴向的量子限制。

图5.(A)扫描电子显微镜图像，一根纳米线机械地分散在覆盖着金膜的硅基的二氧化硅衬底上。白色箭头表示已移除的铟颗粒。(B)单根纳米线在0.83mJ cm-2泵浦激光功率下的光致发光光谱。(C)纳米线的光致发光光谱随泵浦功率的增大而变窄。

图6.纳米线允许在整个电信波段范围内调谐激光波长。为了清晰起见，光谱进行了偏移。激光波长受生长参数的调制，如金属-有机源的流速。因此，一个宽的波长范围覆盖了整个电信波段，包括两个技术上重要的电信波段窗口，中心在1.3微米和1.55 μm

图7.InP/InAs异质结纳米线的形态和结构分析。(A)和(B)InP/InAs纳米线的横截面扫描电镜图像。插图显示了这些纳米线的p-i-n结构。(C)和(D)高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图像，显示掺锌和掺硫InP段之间的多量子盘(MQD)有源区。MQD有源区由10个InAs量子盘组成。(E)纳米线LED器件的示意图。(图经IOP出版许可转载)

为了形成我们的新型LED，我们首先将这些纳米线嵌入透明的绝缘苯环丁烯中。随后的反应离子蚀刻将这种有机物从表面移除，暴露出纳米线尖端，最终为增加电接触铺平了道路。在p-InP衬底上沉积Au-Zn金属，在n-InP纳米线段上沉积铟-锡-氧化物，为该器件创造了电接触。

我们已经研究了我们的纳米线LED的光电特性。其电流-电压(I-V)行为特性反映出了传统LED的特性(参见图8)。为了观察单根纳米线的电致发光，我们在室温下进行了微电致发光测量。可以看到，仅仅在380微米到475微米的区域有纳米线的电致发光(见图8 (c))。一般来说，单个亮点对应于单个纳米线LED。随着偏压的增加，越来越多的纳米线显示出不断增加的电致发光强度。

电致发光波长的可调性是高性能光电子器件发展的关键。我们的多量子盘有源区域允许我们通过调整单个InAs量子盘的厚度来调制光子发射能量-这改变了沿轴向的量子限制。由于气-液-固生长模式提供了高度的可控性，我们能够精确地决定每个InAs量子盘的厚度，从而在电信范围的O和E波段调谐电致发光。

到目前为止，我们的进展取决于克服传统异质结构的晶格匹配限制。通过气-液-固合成的自下而上生长技术模式，我们已经生产出光泵浦纳米线激光器和在电信波段发射的基于LED的变体。我们的研究进展将为新的功能器件和不同形式的集成带来新的机遇。

图8.室温下纳米线LED的电学性能。(A)用金属电极将纳米线样品固定在白色陶瓷衬底上。黑色区域为纳米线发光二极管器件(10μm×10μm)。(B)纳米线LED的典型电流-电压曲线。(C)由红外线相机在2.5伏特的LED偏压下拍摄的电致发光图像。(D)增加偏压(步长：0.1V)的单个发光纳米线的电致发光图像。每幅图像的面积为24μm×36μm。(E)随偏压增加(步长：0.1V)，纳米线的电致发光光谱如(D)所示。光谱在1300±5 nm处有一个恒定的峰，对应于电信波段的O波段。(图经IOP出版许可转载)

扩展阅读

G. Zhang et al. ACS Nano 9 10580 (2015)

G. Zhang et al. Nanotechnology 29 155202 (2018)

G. Zhang et al. Sci. Adv. 5 eaat8896 (2019)

H. Sumikura et al. Nano Lett. 19 8059 (2019)

G. Zhang et al. Jpn. J. Appl. Phys 59 105003 (2020)

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