研究人员打造CMOS工艺兼容的室温纳米激光器

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美国亚利桑那州立大学(ASU-Tempe)纳米光子实验室(Nanophotonics Lab)与中国清华大学合作,展示了一种新型的晶载CMOS通讯激光器;据研究人员表示,这是首款可在室温下发光的激光器。该技术可用于传送单一芯片上不同点之间的资讯,还可用于其他传感应用。

跨国研究团队利用在纳米光束硅腔上放置二碲化钼(MoTe2)单层的方式,打造出无需三五族(III-V)化合物的概念验证器件。可在室温下工作的特性,为新的激光器开启了更多应用的可能性。其他同类型的研究虽然也采用类似的技术达到单层激光发光,但仅限于在低温下实现。


以二碲化钼单层在硅腔上打造的首款CMOS激光器(构想图)(来源:Arizona State University)

二碲化钼是一种结合钼和碲的化合物,也被称为过渡金属硫族化物。在工业级波长范围,这种半导体材料能在实现红外线激光器的区域中发出荧光。当结晶至原子薄的单层时,则具有柔性、抗裂纹、几近于透明月相容于CMOS等特性。

亚利桑那州立大学电子工程系教授宁存峥(Cun-Zheng Ning)表示:“我们开发的纳米光束腔是由标准的CMOS绝缘上硅(SOI)晶圆制造的。我们并未使用任何高温处理——这通常会是CMOS工艺上的顾虑。MoTe2单层的转移成为一个简单、机械化的过程。”

“换句话说,除了CMOS产业常见的标准工艺步骤之外,我们别无选择。”

如图中呈现的纳米激光器架构,MoTe2单层被放置在被蚀刻钻孔的薄晶圆光束上。这种配置成功且有效地放大光线到足以在红外线通讯频段范围现激光器发光。

宁存峥以及清华大学研究人员Yongzhuo Li、Jianxing Zhang和Dandan Huang等人在《自然纳米技术》期刊上发表的「MoTe2单层整合硅纳米腔,实现室温连续波激光」(Room-temperature Continuous-wave Lasing from Monolayer Molybdenum Ditelluride Integrated with a Silicon Nanobeam Cavity)一文中详细介绍这项研究。研究人员指出,增益介质可用于放大光子,而硅腔则限制或获取光子。这样的组合让MoTe2单层能产生比传统半导体材料更强100倍的激子,从而在常见的红外线通讯波长实现室温下激光。

研究人员并补充说,这些技术可以被修改以检测所产生的光,从而潜在地使得光子发射器和光子接收器能够驻留在相同的CMOS芯片上。


左上:SEM影像图显示硅光子晶体纳米光束,其中包含精心设计直径和间距的蚀刻钻孔阵列。右上:激光场强度分布显示沿纳米光束的前三种模式。底图:激光器结构示意图,显示在硅基板上悬浮的硅纳米光束,二氧化硅层其中已被蚀刻掉,在底部硅基板和顶部硅纳米光束之间留下气隙。上面的浅紫色表示MoTe2的单分子层。(来源:Arizona State University)

如同一般的做法,概念验证芯片采用非常低功耗的传统激光器,以泵送MoTe2 CMOS激光。宁存峥解释,“目前它是由连续波氦氖激光发射器以633纳米波长进行泵送,其所需要的阈值远低于红光激光笔。”

研究人员的下一个目标是以电启动和调整用于晶载光子的激光,并让电子和光子存在同一芯片上。“设计高效率的电流注入机制,是成功展示电注入激光的关键。”宁存峥强调,“我们目前正致力于设计和测试制造。”


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