硅光子芯片設計突破結構限制瓶頸

　　當今的硅光子芯片必須采用復雜的制造制程連接光源與芯片，而且也和晶圓級堆棧密不可分。然而，德國慕尼黑工業大學（Technical University of Munich；TUM）的科學家們最近宣稱，他們已經成功地在芯片上直接生長出直徑360nm的垂直納米激光器。這為在CMOS電路上的光子組件整合開啟了新的光學端口。

　　由于各種材料具有不同的晶格參數以及不同的熱膨脹系數，在硅晶上生長III-V族半導體經常導致應變并產生大量的缺陷，使得這些分層并不適用于打造可用的設備。

　　慕尼黑工業大學的研究團隊首先單獨在直徑僅40-50nm占位空間的芯片上沉積砷化鎵（GaAs）納米線，以符合250nm二氧化硅（SiO2）交錯層中的播種小孔直徑。然后在透過可控制的橫向生長選擇性擴展GaAs納米線直徑以前，再用分子束外延（MBE）生長長度約10um 的內部核心納米線至同軸雷射結構中。

　　GaAs/AlGaAs納米線（c）通過外部光泵的（a）尺寸測量與（b）雷射實驗的SEM圖

　　透 過改變其化學成份，研究人員們透過沉積多個六角形GaAs-AlGaAs核-殼（core-shell）結構，順利打造出多層的量子阱（QW）。他們展示 在75nm厚的AlGaAs阻障層之間夾層8nm厚的GaAs QW，以及由7層8nm GaAs QW組成并以10nm AlGaAs阻障層隔離的多量子阱雷射結構。

　?。╝） 同軸GaAs-AlGaAs多層QW納米線異質結構；（b）在Si上生長雷射結構的SEM影像；（c）相同結構的HAADF-STEM影像橫截面，明亮處 是GaAs層，黑暗處則為AlGaAs區域；（d）相鄰GaAs QW與AlGaAs阻障層的原子序對比（Z-contrast）功能與放大影像

　　在這兩種設計中，核-殼層GaAs-AlGaAs納米線仍以內部核心連接至硅基底，延伸至整個二氧化硅交錯層（作為雷射作業的鏡像）。在先前的作業中，研究人員們研究了分離式GaAs-AlGaAs核殼納米激光器，并表征與探索其原生的特性與性能。

　　這項主題為“具有外延增益控制的同軸GaAs-AlGaAs核殼納米線雷射”（Coaxial GaAs-AlGaAs core-mulTIshell nanowire lasers with epitaxial gain control）的最新論文日前已發布于《應用物理快報》（Applied Physics Letters），研究人員們在文中展示成功在室溫下以納米線于硅基上實現近紅外線雷射作業（采用調整至780nm的 TI：藍寶石雷射透過外部光激發）。

　　接下來，研究人員們希望透過化學拋光或沉積介電Bragg反射鏡，從而改善納米線雷射性能。此外，在實際應用時，激光器應該單向發射至可嵌套圖案光子硬件（包括芯片波導）的底層硅。至于實際的整合，研究人員還需要電注入。“我們目前的研究目標專注于開發可在硅晶上實現電氣泵納米線激光器的方法，以及可發至底層光子電路的整合型激光器。截至目前為止，這些組件都是光子泵，但他們 是有選擇性地在硅基底上在生長，”慕尼黑工業大學教授Jonathan J. Finley表示，“我們已經申請硅晶納米線激光器的基本技術專利了，對于授權IP給相關產業也相當感興趣。”