多波長量子井戸ナノワイヤーアレイマイクロ

2023 年 8 月 28 日

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Compuscript Ltd 著

プロセッサ内のコアの数が増加し続けるにつれて、それらをすべて接続するという課題も増加しています。 従来の電気ネットワークは、遅延、帯域幅の制限、消費電力の高さにより不十分です。 研究者たちは長い間、より優れた代替手段を模索してきましたが、従来の電気ネットワークに代わる有望な代替手段としてオンチップ ナノフォトニクス システムが登場しました。

オンチップ光ネットワークはデータ伝送に光を利用し、電気信号に比べて大きな利点をもたらします。 光は電気よりも速いため、多重化技術を通じて大量のデータを運ぶことができます。 オンチップ光ネットワークの鍵となるのは、マイクロ/ナノスケールのレーザーや発光ダイオード (LED) などの小型光源です。 ただし、マイクロ/ナノ LED の開発のほとんどは、可視波長での III 族窒化物材料システムに基づいています。

通信波長における高速赤外線マイクロ LED に関する報告は限られており、Li-Fi 技術、光集積回路 (PIC)、および生物学的応用の将来の開発に不可欠です。

エピタキシャル成長した In(Ga)As(P)/InP ナノワイヤは、バンドギャップの広い同調性により、単一のエピタキシャル成長を通じて単一チップ上に多波長光源のモノリシック集積を可能にする可能性があるため、通信波長範囲の小型 LED およびレーザーとして大きな可能性を秘めています。これにより、波長分割多重化と多入力多出力技術によってデータ伝送容量が向上する可能性があります。

Opto-Electronic Sc​​ience に掲載された新しい論文の著者らは、均一性の高いピンコアシェル InGaAs/InP 単一量子井戸 (QW) ナノワイヤ アレイ LED の選択領域成長と製造を実証しています。 図1(a、b)は、単一ナノワイヤ内のQW LED構造の概略図と、非常に均一な形態を有するナノワイヤアレイの走査型電子顕微鏡(SEM)画像をそれぞれ示しています。

半径方向の詳細な QW 構造は、図 1(c) の高角度環状暗視野走査透過電子顕微鏡 (HAADF-STEM) 画像によってさらに明らかになります。 QW の材料組成を調べるために、図 1(d) のエネルギー分散型 X 線分光分析も実行されました。これにより、InGaAs QW 領域は InP バリア領域に比べてガリウムとヒ素が豊富であることが明確に示されました。

QWナノワイヤLEDは、図2(c、d)に示すように、通信波長(1.35~1.6μm)をカバーする強いバイアス依存性エレクトロルミネッセンス(EL)を示しました。 図 2(d) に示すスペクトルから 2 つの顕著な EL ピークを特定できます。これには、ラジアル QW に由来する ~1.5 μm の長波長ピークと、アキシャルとラジアルからの複合発光による ~1.35 μm の短波長ピークが含まれます。 QW。 2 つの EL ピークの存在により、EL スペクトルの半値全幅は約 286 nm に達する可能性があり、光コヒーレンストモグラフィーやバイオセンシング用途に大きな期待が持てます。 バイアスが増加すると、大量のキャリア注入が両方の QW のエネルギー バンドを満たし、発光スペクトルが広がり、ピーク波長がシフトします。

QWナノワイヤアレイの多波長同調性は、同じ基板上で異なるピッチサイズ（すなわち、アレイ内の隣接するナノワイヤ間の中心間距離）を有するナノワイヤアレイのモノリシック成長を通じてさらに実証されている。 図3(a)は、異なるピッチサイズのナノワイヤアレイから収集された代表的なフォトルミネッセンス（PL）スペクトルを示しており、QWの厚さの増加またはQWへのインジウムの取り込みにより、より大きなピッチのナノワイヤアレイからより長波長のPL発光が見られることを示しています。