Quantum Well Nanowire Micro-LED teknolojisi çip üzerinde iletişimde devrim yaratıyor

Optoelektronik Bilim’den yeni bir yayın. DOI 10.29026/oes.2023.230003 Yeni nesil çip üstü optik iletişim için yüksek hızlı kuantum kablolu, yüksek dalga boylu Mikro LED dizisine genel bakış.

Bir işlemcideki çekirdek sayısı artmaya devam ettikçe hepsini birbirine bağlamanın zorluğu da artar. Geleneksel elektrik şebekeleri gecikme, sınırlı bant genişliği ve yüksek güç tüketimi nedeniyle başarısız oluyor. Araştırmacılar uzun zamandır daha iyi bir alternatif arıyorlardı ve çip üzerindeki nanofotonik sistemler, geleneksel elektrik şebekelerine umut verici bir alternatif olarak ortaya çıktı. Çip üstü optik ağlar, verileri iletmek için ışık kullanır ve elektrik sinyallerine göre önemli avantajlar sağlar. Işık, elektrikten daha hızlı olduğundan, çoğullama teknikleri sayesinde daha büyük miktarda veri taşıyabilir. Çip üstü optik ağların anahtarı, mikro/nano boyutlu lazerler veya ışık yayan diyotlar (LED’ler) gibi minyatür ışık kaynaklarıdır. Bununla birlikte, mikro/nanoLED’lerdeki gelişmelerin çoğu, görünür dalga boylarında III nitrür malzeme sistemlerine dayanmaktadır. Li-Fi teknolojisinin ve fotonik entegre devrelerin (PIC’ler) ve biyolojik uygulamaların gelecekteki gelişimi için vazgeçilmez olan iletişim dalga boylarında yüksek hızlı kızılötesi mikro LED’lere ilişkin sınırlı sayıda rapor bulunmaktadır. Epitaksiyel olarak büyütülmüş In(Ga)As(P)/InP nanotelleri, telekomünikasyon dalga boyu aralığında LED’ler ve minyatür lazerler için büyük bir potansiyele sahiptir; burada geniş bant aralığı ayarı, çoklu dalga boyundaki ışık kaynaklarının tek bir çip üzerinde homojen entegrasyonunu mümkün kılabilir. Dalga boyu bölmeli çoğullama ve çoklu giriş ve çıkış teknolojileri aracılığıyla veri aktarım kapasitesini artırın.

Bu makalenin yazarları, oldukça düzgün pin çekirdekli InGaAs/InP nanotel dizisi LED’lerinin bölge seçici büyümesini ve üretimini göstermektedir. Şekil 1(a,b), sırasıyla tek bir nanoteldeki QW LED yapısının şematik diyagramını ve oldukça düzgün şekle sahip bir nanotel dizisinin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüsünü gösterir. Radyal yöndeki ayrıntılı QW yapısı, Şekil 1(c)’deki yüksek açılı halka şeklindeki karanlık alan taramalı elektron mikroskobu (HAADF-STEM) görüntüsüyle de ortaya çıkar. QW’nin fiziksel bileşimini araştırmak için, Şekil 1(d)’de enerji dağıtıcı X-ışını spektroskopisi de yapıldı; bu, InGaAs QW bölgesinin, InP bariyer bölgesine kıyasla GaN ve arsenik açısından zengin olduğunu açıkça gösteriyor.

QW nanotel LED’leri, telekom dalga boylarını (1,35 ~ 1,6 μm) kapsayan, Şekil 2 (c, d)’de gösterildiği gibi güçlü önyargıya bağlı elektrolüminesans (EL) sergiledi. Şekil 2(d)’de gösterilen spektrumdan, radyal QW’den kaynaklanan ~1,5 µm’deki uzun dalga boyu zirvesi ve eksenel QW’den kaynaklanan ortak emisyon nedeniyle ~1,35 µm’deki kısa dalga boyu zirvesi dahil olmak üzere iki önemli EL zirvesi tanımlanabilir. ve çapraz QW’ler. İki EL zirvesinin varlığı nedeniyle, EL spektrumunun yarı maksimumundaki tam genişliği yaklaşık 286 nm’ye ulaşabilir; bu, optik koherens tomografi ve biyoalgılama uygulamaları için büyük umut vaat etmektedir. Artan önyargıyla birlikte, büyük taşıyıcı enjeksiyonu her iki QW’deki enerji bantlarını doldurarak emisyon spektrumunun genişlemesine ve tepe dalga boyunun değişmesine yol açar.

QW nanotel dizisinin çoklu dalga boyu ayarlanabilirliği, aynı alt tabaka üzerinde farklı boyutlardaki nanotel dizilerinin (yani dizideki bitişik nanoteller arasındaki merkezden merkeze mesafe) homojen büyümesiyle daha da gösterilmiştir. Şekil 3(a), farklı perde boyutlarına sahip nanotel dizilerinden toplanan temsili fotolüminesans (PL) spektrumlarını gösterir; bu, daha kalın QW veya indiyumun QW’ye dahil edilmesi nedeniyle daha büyük nanotel dizilerinden daha uzun dalga boyu PL emisyonunu gösterir. Daha sonra, 0,8, 1,0 ve 2,0 µm aralık boyutlarına sahip nanotel dizisi LED’leri, Şekil 3(b)’de gösterildiği gibi 1,5 V’luk bir önyargıda karşılık gelen elektrolüminesans (EL) spektrumları ile aynı alt tabaka üzerinde üretildi ve şu şekilde bir eğilim sabiti gösterildi: PL spektrumunda. Daha geniş aralıklı bir nanotel LED dizisinden EL emisyonu, yanlılığa bağlı EL spektrumunun tepe dalga boyu uzantısının ~1,57 μm’den (0,8 μm dizi) ~1,67 μm’ye (2,0 μm dizi) kadar olduğu daha uzun bir dalga boyunda gözlendi. İletişim aralığı C. Şekil 3(c), her koşul için elde edilen >100 nm maviye kayma ile tüm perde boyutları için önyargıya bağlı EL tepe dalga boyunu (1 ila 4 eV arası) özetlemektedir; bu, geniş dalga boyunun ayarlanabilirliğini gösterir Telekomünikasyon dalga boyu üzerindeki emisyonlar için sistem.

Matris tabanlı QW nanotel LED’leri aynı zamanda dalga boyu bölmeli çoğullama elde etmek için çok daha küçük boyutlardaki birden fazla dalga boyu LED’ini aynı çip üzerinde entegre ederek bağlantı kapasitesini daha da geliştirmek için büyük bir potansiyel sunar. Konseptin bir kanıtı olarak, “ANU” harfleri üzerinde düzenlenmiş piksel boyutları <5 µm olan çoklu mikro LED dizileri, Şekil 3(e)'de gösterilen büyük matrisin büyümesi için kullanılanla aynı koşullar altında büyütüldü. Farklı öngerilimler altında ışık yayan çoklu mikro-LED dizilerinin çeşitli kızılötesi kamera görüntüleri, Şekil 3(f)'de gösterilmekte olup, birden fazla çok dalga boylu LED'in aynı çip üzerine entegre edilmesinin vaadi vurgulanmaktadır.

Sonuç olarak yazarlar, sırasıyla yaklaşık 1,35 ve 1,5 μm dalga boylarında elektrolüminesansa katkıda bulunan eksenel ve çapraz QW’lerle tek çekirdekli InGaAs/InP nanotel LED’lerin alan seçici büyümesini ve üretimini göstermektedir. Nanotel LED dizisinin elektrolüminesans spektrumları, bant doldurma etkisi nedeniyle güçlü bir önyargıya bağlı spektral kayma gösterdi; bu, telekom dalga boylarını kapsayan voltaj kontrollü bir çoklu dalga boyu (1,35-1,6 μm) işlemine işaret ediyor. Nanotel dizisi LED’lerinin yüksek hızlı iletişim için dalga boyu bölmeli çoğullama ve çoklu giriş-çıkış teknolojileriyle mükemmel uyumluluğu, farklı adım boyutlarına ve çok daha düşük dizi boyutlarına sahip nanotel dizisi LED’lerinin homojen büyümesi ve üretimi ile daha da kanıtlanmıştır (1).