随着多处理器系统芯片中核心数量的不断增加，运算核心间的物理互联也变得愈发困难。传统的片上网络利用电子信号来传递数据。虽然电子片上网络技术在过去近半个世纪以来不断迭代更新，但是其延迟性、有限的带宽和较高功耗始终无法再达到量级上的突破。在过去的二十年中，各国的科研人员一直致力于找寻突破这一瓶颈的替代技术，而片上纳米光子系统已然成为替代传统片上电子网络的最有前途的解决方案。基于片上光网络的运算芯片，顾名思义，是利用编码后的光来传输数据。光速较之于电子的输运速率，跨越了几个数量级。即便是高场强下电子的饱和速度，依然不及光速的千分之一，属于妥妥的降维打击。除了光比电快，光通信还可以通过多路复用技术传输更大的数据量，这是在光纤通信中早已十分成熟的技术，可以拿来就用。那么发展片上光通信的关键在于什么呢？这就需要在运算芯片的附近集成大量的微纳尺度的激光器或是发光LED作为光源。目前大多数微纳LED研究主要集中在基于可见光的III-V族氮化物材料系统，而工作在通信波长范围的高速红外微纳LED仍处于萌芽阶段。除了是上述提到的光子集成电路的核心部件之外，这一波段的微纳LED器件也是其它新兴技术，例如下一代可见光通信技术 (Li-Fi technology) 和很多生物应用技术必不可少的组件。基于外延生长的In(Ga)As(P)/InP量子阱纳米线制备而成的微纳LED在通信波长范围内具有巨大潜力，可以实现单片外延生长集成多个波段光源。制备好的器件还可以通过利用成熟的波分复用和多输入多输出技术提高数据传输容量。

　　最近，澳大利亚国立大学由傅岚教授和C. Jagadish院士带领的课题组在基于选择性区域外延生长的InGaAs/InP单量子阱纳米线阵列微LED方面取得进展，相关成果以“High-speed multiwavelength InGaAs/InP quantum well nanowire array micro-LEDs for next generation optical communications”为题作为封面文章发表在卓越新刊Opto-Electronic Science (光电科学)。 

　　量子阱纳米线的形貌表征如图1所示。其中，图1(a, b) 分别显示了单个纳米线中量子阱结构的示意图和具有高度均匀形貌的纳米线阵列的扫描电镜(SEM)图像。图1(c) 的高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)图像进一步显示了沿纳米线径向方向的量子阱细致结构，其中InGaAs量子阱形成了一个高亮的六边形环，区别于被其围绕的InP纳米线内核。另外，图1(d)是量子阱材料组分的X射线能谱分析图，清楚地表明了InGaAs量子阱区域的确富含镓和砷这两个元素。 

　　图1 (a) p-i-n InGaAs/InP单量子阱纳米线微LED横向和垂直截面结构示意图；(b)间距为800 nm的纳米线阵列30 倾斜视SEM图；(c)不同放大倍数下纳米线的横截面HAADF-STEM图像；(d) 横截面区域的EDX元素图 

　　图2(c, d)进一步显示出量子阱纳米线LED的电致发光谱(EL)具有很强的偏压性，其EL光谱覆盖了通信波长(1.35~1.6  m)。从图2(d)所显示的光谱中还可以识别出两个明显的波峰，其中1.5  m的长波峰来自纳米线径向量子阱电子-空穴辐射复合，而1.35  m的较短波峰则是纳米线径向和轴向两个方向的量子阱共同作用的结果。由于存在两个EL波峰，EL光谱的半高宽(FWHM)可达到约286 nm，这表明基于量子阱纳米线微LED在光学相干断层扫描术和生物传感应用中有很大的应用前景。随着外加偏置电压的增加，大量载流子注入填满了纳米线轴向与径向中的能带，导致发射光谱变宽并且峰值波长发生变化。 

　　图2 (a)纳米线阵列微LED示意图；(b)纳米线阵列微LED的L-I和I-V曲线。(c)室温下随电压变化的EL光谱；(d)由(c)得到的归一化电压依赖性EL光谱；(e)模拟电压依赖性自发发射光谱；(f)在1.2 V偏压下的模拟发射光谱，显示了轴向和径向量子阱的解耦贡献 

　　在同一衬底上生长具有不同pitch间距(即阵列中相邻纳米线的中心距离)的纳米线阵列，以探索量子阱纳米线阵列的多波长可调谐性。图3(a)显示了间距为0.8、1.0和2.0  m的纳米线阵列的光致发光(PL)光谱。可以看到，较大间距纳米线阵列发射更长PL波长。这是由于不同间距尺寸下，相应的纳米线量子阱厚度和铟掺杂量也会不同所致。进一步将三种间距的纳米线阵列制备成微LED，如图3(b)所示，电致发光(EL)光谱与PL光谱显示出一致的趋势，即较大间距纳米线阵列发射更长EL波长。间距为0.8  m的纳米线阵列EL光谱峰值在波长~1.57  m，而当阵列间距增加至2.0  m时，EL光谱峰值扩展到了~1.67  m，完全覆盖了通信C波段。图3(c)总结了EL光谱的偏压特性，三种间距的纳米线阵列都展现出超过100 nm的蓝移，表明了该纳米线微LED在通信波长范围内具有较宽的发射波长可调性。 

　　图3 (a)不同间距纳米线阵列的PL光谱；(b)不同间距纳米线阵列微LED在正向偏置1.5 V下的发光光谱；(c)不同间距的纳米线阵列LED的偏置相关EL光谱的峰值波长；(d)间距0.8 m纳米线阵列LED在0.1、0.6和1 GHz调制频率下采集的TREL信号；(e) “ANU”排列的纳米线阵列30 倾斜的SEM图像；(f)不同外加偏压下(e)中LED发光的红外摄像机图像 

　　除了量子阱纳米线的偏压调制光、电致发光谱特性，该课题组还通过时间分辨光致发光(TRPL)和电致发光(TREL)对纳米线阵列LED的超快性能进行了表征。通过对从量子阱发射的TRPL光谱进行测量，可估算出少数载流子的平均寿命约为309 ps，远比纯InP纳米线中的载流子寿命要短。这表明了文章关于量子阱器件的结构设计确实给少数载流子提供了一个高效的复合通道，从而降低了载流子寿命。基于对载流子寿命的估算，理论上该纳米线器件的可调制上限约为3 GHz。为了证实这一点，该工作测量了纳米线阵列LED在不同频率(0.1、0.6和1 GHz)下的正弦调制输出。 

　　图3(d)显示了纳米线阵列的TREL响应，其输出的正弦信号表明该纳米线阵列LED可以在GHz级别进行调制。未来还可以通过优化器件制备工艺来减小器件电阻-电容RC常数，从而进一步提高纳米线阵列LED的高速调制性能。 

　　如前所述，该工作的选择区域性外延生长技术还具有另一项巨大的优势， 就是在同一衬底上的同一批次生长，可以集成制备具有不用纳米线间距尺寸的“像素点”。当然，每一个像素点又是由许多密集排布的纳米线组成，这样就在同一芯片衬底上实现了一次生长，嵌入多波长微LED矩阵，同时也可以直接利用非常成熟的波长分割多路复用技术来达到运算核心间的数据通信。作为一个先行概念验证，文章使用了与图3(e)中大阵列生长相同的条件，生长了多个小尺寸微LED阵列，其像素尺寸均小于5 m，并排列成字母“ANU”。图3(f)呈现了在不同外加偏压下的由红外照相机拍摄到的纳米线阵列微LED的EL红外光。此概念验证实验展示了未来在同一芯片上集成多个多波长微LED光源的潜力。 

　　总结起来，该工作展示了基于InGaAs/InP单量子阱纳米线阵列的材料生长以及微LED器件的制备与表征。量子阱纳米线具有p-i-n core-shell 结构，由选择性区域外延技术生长，且阵列形貌具有高度均匀性。其中轴向和径向量子阱分别在约1.35和1.5  m波长处产生电致发光。纳米线阵列LED的轴/径方向上的量子阱各自的电致发光光谱波峰由于阱内能带填充效应都具有显著的外加偏压可调谐性，使得器件的复合光谱可以轻松覆盖通信波长范围(1.35–1.6  m)。另外，通过展示在同一衬底上单次纳米线生长即可获得具有不同阵列间距的LED像素矩阵，突显了基于量子阱纳米线制备而成微/纳LED光源与波分复用和多输入多输出技术在高速通信方面的极佳兼容性。该工作在开发新一代集成光通信系统芯片的微/纳尺度光源的研究道路上又迈出了一步。 

　　研究团队简介 

　　澳大利亚国立大学的半导体光电子与纳米技术研究课题组一直致力于基于低维III-V族化合物半导体纳米结构(纳米线、量子阱与量子点)的新材料和器件的开发，在该领域的基础研究和前沿发展取得了多项重要成就。在过去的二十年里，该小组率先采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术，开创了低维III-V族化合物半导体外延生长的先河。该小组率先展示了通过蒸汽液固(VLS)机制生长的各种III-V族纳米线材料(包括InGaAs、GaAs、GaAs/AlGaAs、InAs、InP、GaAsSb等)，并开发了基于SiO2掩膜的选择性区域外延(SAE)技术，用于生长规则的周期性排列的纳米线阵列材料与结构，适用于激光器、发光二极管、太阳能电池、光电探测器和化学传感器等广泛的器件应用。 

　　傅岚教授现任澳大利亚国立大学物理学院电子材料工程系主任，并在澳大利亚研究委员会Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) 担任chief investigator。 

　　C. Jagadish院士现任澳大利亚国立大学杰出教授，澳大利亚科学院主席，澳大利亚科学院与澳大利亚技术科学及工程院两院院士，美国工程院外籍院士，英国皇家工程院外籍院士，印度科学院与工程院两院外籍院士。同时C. Jagadish教授也在澳大利亚研究委员会TMOS任chief investigator。 

　　相关论文  

　　Zhang FL, Su ZC, Li Z, Zhu Y, Gagrani N et al. Gagrani N et al. High-speed multiwavelength InGaAs/InP quantum well nanowire array micro-LEDs for next generation optical communications 

　　DOI: 10.29026/oes.2023.230003