纳米柱LED可望提高光子整合准确度

美国加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的研究人员展示采用相容Si-CMOS光学微影工艺的三五(III-V)族纳米柱LED设计，同时还能控制这些纳米LED的精确生长位置——这是在CMOS电路中有效整合光子，从而实现快速芯片上光互连的关键元素。

研究人员在《ACS Photonics》期刊发表「以电信波长在具有明亮电致发光的硅芯上实现超微型位置控制的InP纳米柱LED」(Ultracompact Position-Controlled InP Nanopillar LEDs on Silicon with Bright Electroluminescence at Telecommunication Wavelengths)一文中指出，控制生长位置的良率高达90%，可在硅芯上实现均匀的磷化铟(InP)纳米柱阵列，在CMOS相容的条件下生长：低温且无需催化剂。

位置可控制的InP纳米柱阵列在460℃时生长的低倍数放大SEM图，所有图像中的比例尺分别对应至10μm以及1μm、4μm和40μm的生长周期(间距)

研究人员先从干净的硅晶圆(111)开始，在350℃下将140nm的二氧化沉积至直径约320nm的纳米级孔径中，以1μm-40μm的间距定位纳米柱成核位置。研究人员以化学方式使硅晶表面变得粗糙后，再以450℃～460℃的温度在MOCVD腔中生长InP纳米结构。研究人员发现，纳米柱的锥角明显受到生长温度的影响，在450℃时产生纳米针，而在460℃下几乎是垂直的柱状结构。

研究人员在这些纳米柱的基础上，透过同中心的核心-外壳(core-shell)生长，在pn二极体的主动区内併入五个砷化镓铟(InGaAs)量子阱，形成电驱动的n-InP/InGaAs MQW/p-InP/p-InGaAs纳米LED。

纳米柱MQW LED元件示意图

由于核心-外壳的生长模式，纳米柱由其成核位置生长而出，并延展至氧化物开口以外，达到约1μm的最终直径。因此，当纳米柱的n掺杂核心与n-Si基板直接接触时，p掺杂的外壳在氧化物遮罩上生长，消除了从p掺杂的外壳和n-Si基板的分流路径。20/200nm的Ti/Au透过倾斜的电子束蒸发到高度p掺杂的InGaAs接触层，完成该元件以形成电接触，其中纳米柱的小部份区域外露，而且没有金属作为LED光输出的窗口。

为纳米柱状LED进行表征，在1510nm以及约30%的量子效率下进行射。虽然纳米柱LED的占位空间小，但可输出4μW功率，研究人员宣称这是从纳米柱/纳米结构LED所能实现的最高光输出记录。在此建置下，由于收集效率仅5%，可用的光输出降至200nW。

该研究的另一个有趣之处是，该元件能以电偏置产生光增益，并在反向注入时表现出强光响应，使其有助于实现芯片上的光子整合。