Les chercheurs ont mis en évidence le potentiel des systèmes nanophotoniques sur puce comme solution aux défis présentés par les réseaux électriques traditionnels. Ces systèmes utilisent la lumière pour la transmission de données, offrant une bande passante et une vitesse accrues.
Une nouvelle publication de Science opto-électronique aperçus de micro-LED à réseau de nanofils à puits quantiques à grande vitesse et multi-longueurs d’onde pour la communication optique sur puce de nouvelle génération.
À mesure que le nombre de cœurs d’un processeur continue d’augmenter, le défi de les connecter tous ensemble augmente également. Les réseaux électriques traditionnels échouent en raison de la latence, de la bande passante limitée et de la consommation électrique élevée.
Les chercheurs recherchent depuis longtemps une meilleure alternative, et les systèmes nanophotoniques sur puce sont apparus comme un substitut prometteur aux réseaux électriques traditionnels. Les réseaux optiques sur puce utilisent la lumière pour la transmission de données, offrant ainsi de grands avantages par rapport aux signaux électriques. La lumière, étant plus rapide que l’électricité, peut transporter de plus grandes quantités de données grâce aux technologies de multiplexage.
La clé des réseaux optiques sur puce réside dans les sources de lumière miniaturisées telles que les lasers à micro/nano-échelle ou les diodes électroluminescentes (DEL). Cependant, la plupart des développements sur les micro/nano-LED sont basés sur des systèmes de matériaux à base de nitrure III aux longueurs d’onde visibles. Il existe peu de rapports sur les micro-LED infrarouges à haute vitesse aux longueurs d’onde des télécommunications, indispensables au développement futur de la technologie Li-Fi, des circuits intégrés photoniques (PIC) et des applications biologiques.
Les nanofils In(Ga)As(P)/InP cultivés par épitaxie présentent un grand potentiel pour les LED et les lasers miniaturisés dans la plage de longueurs d’onde des télécommunications, car leur accordabilité à large bande interdite pourrait permettre l’intégration monolithique de sources lumineuses multi-longueurs d’onde sur une seule puce grâce à une seule croissance épitaxiale. , ce qui pourrait augmenter la capacité de transmission de données grâce au multiplexage par répartition en longueur d’onde et aux technologies à entrées multiples et à sorties multiples.
Figure 1. (a) Schéma de la structure de LED à nanofil QW unique InGaAs/InP avec sections latérales et verticales. (b) Image SEM avec vue inclinée à 30° du réseau de nanofils avec un pas de 800 nm. (c) Image HAADF-STEM en coupe transversale d’un nanofil montrant la forme hexagonale et le QW radial sous différents grossissements. (d) Cartes élémentaires EDX de la région transversale en (c). Crédit : OES
Résultats de recherche et démonstrations
Les auteurs de cet article démontrent la croissance et la fabrication de zones sélectives de LED à réseau de nanofils InGaAs/InP à puits quantique unique (QW) hautement uniformes. La figure 1 (a, b) montre respectivement le schéma de la structure de la LED QW dans un seul nanofil et une image au microscope électronique à balayage (MEB) d’un réseau de nanofils présentant une morphologie très uniforme. La structure QW détaillée dans la direction radiale est en outre révélée par l’image de microscopie électronique à transmission par balayage à champ noir annulaire à grand angle (HAADF-STEM) sur la figure 1 (c). Pour sonder la composition matérielle du QW, l’analyse par spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie de la figure 1 (d) a également été réalisée, montrant clairement que la région InGaAs QW est riche en gallium et en arsenic par rapport à la région barrière InP.
Figure 2. (a) Schéma d’une LED à réseau de nanofils fabriquée. (b) Courbes LI et IV d’une LED à réseau de nanofils représentative. (c) Spectres EL dépendants de la tension à température ambiante. (d) Spectres EL normalisés dépendants de la tension de (c). ( e ) Spectres d’émission spontanée simulés en fonction de la tension. ( f ) Spectre d’émission simulé avec une polarisation de 1, 2 V, montrant la contribution découplée des puits quantiques axiaux et radiaux. Crédit : OES
Les LED à nanofils QW présentaient une forte électroluminescence (EL) dépendante de la polarisation, illustrée à la figure 2 (c, d), couvrant les longueurs d’onde des télécommunications (1,35 ~ 1,6 μm). Deux pics EL importants peuvent être identifiés à partir des spectres illustrés à la figure 2 (d), notamment un pic de longueur d’onde longue à environ 1, 5 μm provenant du QW radial et un pic de longueur d’onde courte à environ 1, 35 μm en raison d’une émission combinée axiale et radiale. QW. En raison de la présence de deux pics EL, la largeur totale à mi-hauteur du spectre EL pourrait atteindre environ 286 nm, ce qui est très prometteur pour les applications de tomographie par cohérence optique et de biodétection. Avec la polarisation accrue, une injection importante de porteurs remplit les bandes d’énergie dans les deux QW, conduisant à un spectre d’émission élargi et à un décalage de la longueur d’onde maximale.
Figure 3 : (a) Spectres PL représentatifs mesurés à partir du haut des réseaux de nanofils avec différentes tailles de pas. (b) Spectres EL mesurés avec une polarisation directe de 1,5 V à partir de LED à réseau de nanofils avec différentes tailles de pas. (c) Longueur d’onde maximale des spectres EL dépendants de la polarisation provenant de LED à réseau de nanofils avec différentes tailles de pas. (d) Signal TREL collecté à partir de LED à réseau de nanofils au pas de 0,8 µm à des fréquences de modulation de 0,1, 0,6 et 1 GHz. (e) Image SEM inclinée à 30 ° des réseaux de nanofils disposés correspondant aux lettres «ANU». (f) Image de caméra infrarouge de l’émission EL provenant de LED à réseau de nanofils en (e) sous différents niveaux d’injection de courant. Crédit : OES
Adaptabilité et applications
L’accordabilité multi-longueurs d’onde du réseau de nanofils QW a en outre été démontrée par la croissance monolithique de réseaux de nanofils avec différentes tailles de pas (c’est-à-dire la distance centre à centre entre les nanofils voisins dans un réseau) sur le même substrat.
La figure 3 (a) montre les spectres de photoluminescence (PL) représentatifs collectés à partir de réseaux de nanofils avec différentes tailles de pas, montrant une émission PL de longueur d’onde plus longue à partir de réseaux de nanofils à pas plus grand en raison de l’épaisseur accrue du QW ou de l’incorporation d’indium dans le QW.
Les LED à réseau de nanofils avec des pas de 0,8, 1,0 et 2,0 µm ont ensuite été fabriquées sur le même substrat, avec les spectres d’électroluminescence (EL) correspondants à une polarisation de 1,5 V, comme le montre la figure 3 (b), montrant une tendance cohérente. comme dans les spectres PL. L’émission EL d’un réseau de LED à nanofils à pas plus grand a été observée à une longueur d’onde plus longue, avec la longueur d’onde maximale des spectres EL dépendants de la polarisation étendue de ~ 1,57 μm (réseau à pas de 0,8 μm) à ~ 1,67 um (réseau à pas de 2,0 μm), ce qui couvre la bande C des télécommunications.
La figure 3 (c) résume la longueur d’onde de crête EL dépendante de la polarisation (de 1 à 4 V) pour toutes les tailles de pas avec un décalage vers le bleu de plus de 100 nm obtenu pour chaque cas, indiquant une large accordabilité de longueur d’onde d’émission dans tout le régime de longueur d’onde de télécommunication.
Les LED QW à nanofils basées sur un réseau offrent également un grand potentiel pour augmenter encore la capacité de communication en intégrant plusieurs LED multi-longueurs d’onde avec des tailles très réduites sur la même puce pour réaliser un multiplexage par répartition en longueur d’onde. À titre de preuve de concept, plusieurs réseaux de micro-LED de petite taille avec des tailles de pixels inférieures à 5 µm disposés selon les lettres « ANU » ont été cultivés dans les mêmes conditions que celles utilisées pour la croissance de grands réseaux illustrés à la figure 3 (e). Plusieurs images de caméras infrarouges de plusieurs réseaux de micro-LED émettant sous diverses polarisations sont présentées à la figure 3 (f), soulignant la promesse d’intégrer plusieurs micro-LED à longueurs d’onde multiples sur la même puce.
Conclusion
Pour conclure, les auteurs ont démontré la croissance sélective de zones et la fabrication de micro-LED à réseau de nanofils QW simples InGaAs/InP hautement uniformes, avec des QW axiaux et radiaux contribuant à l’électroluminescence à des longueurs d’onde d’environ 1,35 et 1,5 μm, respectivement. Les spectres d’électroluminescence de la LED à réseau de nanofils présentaient un fort décalage spectral dépendant de la polarisation en raison de l’effet de remplissage de bande, indiquant un fonctionnement multi-longueurs d’onde (1,35 à 1,6 μm) contrôlé par la tension couvrant les longueurs d’onde des télécommunications.
La grande compatibilité des LED à réseau de nanofils avec les technologies de multiplexage par répartition en longueur d’onde et à entrées multiples et sorties multiples pour la communication à grande vitesse a été en outre illustrée par la croissance monolithique et la fabrication de LED à réseau de nanofils avec différentes tailles de pas et des tailles de réseau très réduites. (< 5 μm de largeur) sur le même substrat, ainsi qu'une modulation au niveau GHz. Ce travail constitue une voie prometteuse pour développer à l’échelle nanométrique sources de lumière sur puce pour les systèmes de communication optiques intégrés de nouvelle génération.
