08年06月JLT：纳米光电子器件专刊
发布时间：2008-07-09 08:40:22 热度：2716
7/9/2008,本期JLT有个关于纳米光电子器件及其应用的专刊，目的是聚焦于当前广受关注的纳米光子加工，及其典型技术，对当前技术趋势给予概括性的总结和展望。首先需要对纳米光电子器件的概念做一个解释。纳米光电器件并不是说器件大小只有纳米尺度，而是说器件的最小基元或主要采用工艺是纳米尺度的。比如无源波导器件，传统的硅基二氧化硅波导是微米尺度的，波导宽度大约5或6微米。而现在广泛研究的硅纳米线技术或表面等离子波导则是纳米尺度的，波导宽度大概为200多纳米左右。而广泛研究的光子晶体，其单个周期元也是纳米尺度的。现在半导体激光器中常用的量子点、量子阱、量子线等都是典型纳米尺度的加工。
一、半导体激光器中的纳米技术：
传统半导体激光器（包括三五族材料和硅材料）其固有结构缺陷都限制了器件获得优越的综合性能。例如广受关注的垂直腔面发射激光器（VCSEL），通常基于三五族材料制作，其横截面直径小于4微米，以保证器件以单横模输出。但小的横截面通常使得器件阻抗较大，从而无法实现大的调制带宽，也很难实现高速调制。但如果增加器件的截面尺寸，则不可避免的产生高阶横模，工作噪声变大，同时远场发散角也增大了。本期专刊有一篇特邀论文来自台湾交通大学，作者展示了如何利用纳米加工技术来解决上述矛盾，制作高品质的VCSEL。作者这里结合使用了二维光子晶体技术和量子点技术。当采用较大截面时，在激光器表面制作二维光子晶体结构可以有效抑制高阶横模的产生，在实现大截面输出的同时，维持了单模发射。而采用二维光子晶体后，器件的域值电流明显增大，因此作者在有源区域制作了三层单量子点结构，既降低了域值电流，也贡献了非常窄的增益谱。在制作量子点层时，作者依靠交替沉积InAS和GaAs实现。作者同时制作了980nm和1300nm两个波段的改进VCSEL激光器。两类激光器都具有非常好的单模工作特性，其单模抑制比达到35dB，且最大输出功率也高达5.7mW。
一篇来自清华大学的研究，报导了对AlGaInAs多量子阱电吸收调制器的制作与封装。该器件主要应用于40Gb/s的短接入距离的高速光网络应用。通常多量子阱激光器以InGaAsP材料最为常见，这里作者使用AlGaInAs，其一是因为该材料能提供较大的导带不连续性，能让激光器未冷却运转，其二是因为该材料能够降低半导体结构的价带不连续性，缓解电吸收调制器的孔洞堆积效应，进而提供更高的光饱和强度。这里作者器件制作采用的是同一外延层集成技术，靠自组织平面技术降低电吸收调制器的电容，使得调制器能实现40GHz的小信号调制带宽。
来自德国的一篇特邀论文则系统总结探讨了制作量子点和量子线激光器的自组织技术。依靠不同材料的纳米结构自组织生长，能够制作出不同波段，不同应用的量子半导体器件。例如基于GaN–AlGaN材料的自组织量子点，能够有效避免缺陷带来的非辐射泄露损耗，因此非常适合制作紫外及可见光波段的光发射器。而InGaAsAs–GaAs材料的量子点结构则非常适合于制作高功率的红外连续波段激光器。而基于InP基底的量子点结构则能有效用于光通讯低串扰、偏振不敏感的光放大以及信号再生应用。作者针对不同材料详细分析和比较了量子点、量子线的自组织生长工艺，特别是对物理本质做了探讨。作者指出自组织生长的量子点技术始于1993年，在过去的14年里，研究密度呈现30%的增长率，这样的关注度在半导体领域是罕见的，相信该技术将在下一代微纳米光电器件中将扮演越来越重要的角色。
对高调制速率的半导体激光器和放大器，脉冲展宽因子（α因子）是一个非常重要的性能参数。对激光器，低α因子能够提供高比特率发射，对放大器，低α因子则能有效抑制信号啁啾和非线性影响。本期一篇来自加拿大的特邀论文，作者通过在半导体激光器和放大器中引入不同维度的量子结构，来改善α因子。作者主要利用了绝热载体再生、热载体加热和双光子吸收动态处理等工艺来制作量子化的有源层。在光通讯应用的1.55μm波段分别制作了InAs/InGaAsP/InP的量子点结构、InAs/InAlGaAs/InP的量子线结构和InGaAsP/InGaAsP/InP的量子阱结构。作者证明量子点结构最有利于获得低α因子。
此外，台湾交通大学的研究者在GaN激光器中引入了自组织的Ni纳米层，将发光效率提升了55%左右。其自组织生长过程是通过热退火，形成Ni团簇的自组织，进而形成纳米杆和纳米层。台湾大学的研究者在金属－氧化物－半导体LED（MOSLED）的氧化物膜层内制作了一些硅纳米柱，改进了发光效率，实现了微瓦的光发射。要获得这些硅纳米柱，作者首先在硅基底上利用自聚合效应制作了一些Ni纳米点做掩膜，然后通过快速烘干，便形成了掩埋型的纳米柱晶体。
二、基于光子晶体的光电器件：
谈到纳米光电器件，光子晶体必然是一个重要研究内容。依靠某些纳米尺度的周期性元堆叠成的光材料，能够象半导体材料那样，具有导带、价带和禁带。让某些波段光全通，而某些波段光全禁，变成“光的半导体”。此次纳米光电子专刊，光子晶体仍是一个内容最多的专题。特别的基于光子晶体的某些特别应用得到广泛关注，这体现了该领域近年来的研究热点：
1．光子晶体微腔：
在光子晶体中，当对一个较大波段的光禁止时，如果在某些局部区域引入缺陷，则光只能在这些缺陷区域存在，当这个缺陷是一个微腔时，光便被局域在一个非常小的区域。例如这个微腔只有一立方波长时，可以获得非常高的Q因子。已有实验报导，利用光子晶体微腔，实验获得了2000,000的高Q参数。此次专刊一篇来自日本京都大学的论文则对光子晶体微纳米腔的设计制作做了研究。作者提供一种解析的设计方法，让光在微腔内电磁场呈高斯分布，从而抑制了能量泄露，让Q参数提高到了109。这样的高Q因子腔适用于包括慢光在内的光存储应用。
此外，NTT的研究者发现在半导体微腔内存在载流子扩散效应，利用该效应可以实现高速光交换操作，比起通常利用平面波导非线性效应实现的光交换，其信号恢复时间可以高达100ps左右；而清华大学的研究者也对光子晶体中的微腔结构做了理论分析和模拟，设计了具有高光增益谱和模斑特性的结构。
2．孔洞波导：
孔洞光子晶体和微腔一样，都是靠在光子晶体中间形成缺陷后，让光在缺陷中传输，但微腔是一个相对封闭的区域，用于局域化能量，而孔洞波导则是让光在波导中传输，孔洞缺陷（通常是空气）作为导光的载体。东京技术研究院的研究者设计制作了三维的孔洞波导，其光子晶体部分是靠介质和半导体层交替生长得到的。靠优化空气缺陷结构，作者制作了传输损耗非常低的波导，同时该波导还具有偏振和温度不敏感的优势，适合作为密集波分复用的光载体使用。
三、纳米波导与纳米颗粒：
纳米波导是指波导横截面尺寸为几个到几百个纳米的波导。目前研究广泛的纳米波导有硅纳米线和表面等离子波导两种。此次专刊关于前者的涉及很少，因此主要看一些关于表面等离子波导的相关报导：
表面等离子波导就是利用光在金属和介质界面可以以表面波方式传输而形成的一种波导结构。由于该波导结构具有相当大的等效折射率，因此可以让光容易聚焦在一个非常窄的区域，达到很高的能量密度。但是由于金属材料固有的损耗特性，使得该波导具有很大的传输损耗，因此很难做出高品质的光电器件。本期一篇特邀论文来自韩国研究者，作者使用聚合物材料作介质，在其中插入一条非常薄的金片。当金片厚度达到14nm，宽度达到2μm时，传输损耗仅为1.4dB/cm。这已经算是一个可以接受的数值了。当让金片厚度14nm，宽度7.5 μm时，作者实现了对光纤仅0.1dB的低耦合损耗。作者证明这样的表面等离子波导非常适合10Gb/s的光电应用，在保持良好光电特性的同时，能让器件尺寸降低一到两个数量级。
此外，来自韩国的另一项研究在传统表面等离子波成像系统中引入了纳米线结构，将探测灵敏度提升了3.44倍。
除了纳米波导，纳米颗粒也是很重要的一种结构，多个或单个纳米颗粒具有某些独特的光学品质，在传感等领域具有广泛应用前景。专刊里有一篇来自中山大学的研究，作者通过飞秒激光器切割技术，在ZnSe材料表面制作了许多纳米颗粒，这种有纳米颗粒的表面改进了材料的太赫兹发射特性，可以将太赫兹发射功率提高近两倍。
一、半导体激光器中的纳米技术：
传统半导体激光器（包括三五族材料和硅材料）其固有结构缺陷都限制了器件获得优越的综合性能。例如广受关注的垂直腔面发射激光器（VCSEL），通常基于三五族材料制作，其横截面直径小于4微米，以保证器件以单横模输出。但小的横截面通常使得器件阻抗较大，从而无法实现大的调制带宽，也很难实现高速调制。但如果增加器件的截面尺寸，则不可避免的产生高阶横模，工作噪声变大，同时远场发散角也增大了。本期专刊有一篇特邀论文来自台湾交通大学，作者展示了如何利用纳米加工技术来解决上述矛盾，制作高品质的VCSEL。作者这里结合使用了二维光子晶体技术和量子点技术。当采用较大截面时，在激光器表面制作二维光子晶体结构可以有效抑制高阶横模的产生，在实现大截面输出的同时，维持了单模发射。而采用二维光子晶体后，器件的域值电流明显增大，因此作者在有源区域制作了三层单量子点结构，既降低了域值电流，也贡献了非常窄的增益谱。在制作量子点层时，作者依靠交替沉积InAS和GaAs实现。作者同时制作了980nm和1300nm两个波段的改进VCSEL激光器。两类激光器都具有非常好的单模工作特性，其单模抑制比达到35dB，且最大输出功率也高达5.7mW。
一篇来自清华大学的研究，报导了对AlGaInAs多量子阱电吸收调制器的制作与封装。该器件主要应用于40Gb/s的短接入距离的高速光网络应用。通常多量子阱激光器以InGaAsP材料最为常见，这里作者使用AlGaInAs，其一是因为该材料能提供较大的导带不连续性，能让激光器未冷却运转，其二是因为该材料能够降低半导体结构的价带不连续性，缓解电吸收调制器的孔洞堆积效应，进而提供更高的光饱和强度。这里作者器件制作采用的是同一外延层集成技术，靠自组织平面技术降低电吸收调制器的电容，使得调制器能实现40GHz的小信号调制带宽。
来自德国的一篇特邀论文则系统总结探讨了制作量子点和量子线激光器的自组织技术。依靠不同材料的纳米结构自组织生长，能够制作出不同波段，不同应用的量子半导体器件。例如基于GaN–AlGaN材料的自组织量子点，能够有效避免缺陷带来的非辐射泄露损耗，因此非常适合制作紫外及可见光波段的光发射器。而InGaAsAs–GaAs材料的量子点结构则非常适合于制作高功率的红外连续波段激光器。而基于InP基底的量子点结构则能有效用于光通讯低串扰、偏振不敏感的光放大以及信号再生应用。作者针对不同材料详细分析和比较了量子点、量子线的自组织生长工艺，特别是对物理本质做了探讨。作者指出自组织生长的量子点技术始于1993年，在过去的14年里，研究密度呈现30%的增长率，这样的关注度在半导体领域是罕见的，相信该技术将在下一代微纳米光电器件中将扮演越来越重要的角色。
对高调制速率的半导体激光器和放大器，脉冲展宽因子（α因子）是一个非常重要的性能参数。对激光器，低α因子能够提供高比特率发射，对放大器，低α因子则能有效抑制信号啁啾和非线性影响。本期一篇来自加拿大的特邀论文，作者通过在半导体激光器和放大器中引入不同维度的量子结构，来改善α因子。作者主要利用了绝热载体再生、热载体加热和双光子吸收动态处理等工艺来制作量子化的有源层。在光通讯应用的1.55μm波段分别制作了InAs/InGaAsP/InP的量子点结构、InAs/InAlGaAs/InP的量子线结构和InGaAsP/InGaAsP/InP的量子阱结构。作者证明量子点结构最有利于获得低α因子。
此外，台湾交通大学的研究者在GaN激光器中引入了自组织的Ni纳米层，将发光效率提升了55%左右。其自组织生长过程是通过热退火，形成Ni团簇的自组织，进而形成纳米杆和纳米层。台湾大学的研究者在金属－氧化物－半导体LED（MOSLED）的氧化物膜层内制作了一些硅纳米柱，改进了发光效率，实现了微瓦的光发射。要获得这些硅纳米柱，作者首先在硅基底上利用自聚合效应制作了一些Ni纳米点做掩膜，然后通过快速烘干，便形成了掩埋型的纳米柱晶体。
二、基于光子晶体的光电器件：
谈到纳米光电器件，光子晶体必然是一个重要研究内容。依靠某些纳米尺度的周期性元堆叠成的光材料，能够象半导体材料那样，具有导带、价带和禁带。让某些波段光全通，而某些波段光全禁，变成“光的半导体”。此次纳米光电子专刊，光子晶体仍是一个内容最多的专题。特别的基于光子晶体的某些特别应用得到广泛关注，这体现了该领域近年来的研究热点：
1．光子晶体微腔：
在光子晶体中，当对一个较大波段的光禁止时，如果在某些局部区域引入缺陷，则光只能在这些缺陷区域存在，当这个缺陷是一个微腔时，光便被局域在一个非常小的区域。例如这个微腔只有一立方波长时，可以获得非常高的Q因子。已有实验报导，利用光子晶体微腔，实验获得了2000,000的高Q参数。此次专刊一篇来自日本京都大学的论文则对光子晶体微纳米腔的设计制作做了研究。作者提供一种解析的设计方法，让光在微腔内电磁场呈高斯分布，从而抑制了能量泄露，让Q参数提高到了109。这样的高Q因子腔适用于包括慢光在内的光存储应用。
此外，NTT的研究者发现在半导体微腔内存在载流子扩散效应，利用该效应可以实现高速光交换操作，比起通常利用平面波导非线性效应实现的光交换，其信号恢复时间可以高达100ps左右；而清华大学的研究者也对光子晶体中的微腔结构做了理论分析和模拟，设计了具有高光增益谱和模斑特性的结构。
2．孔洞波导：
孔洞光子晶体和微腔一样，都是靠在光子晶体中间形成缺陷后，让光在缺陷中传输，但微腔是一个相对封闭的区域，用于局域化能量，而孔洞波导则是让光在波导中传输，孔洞缺陷（通常是空气）作为导光的载体。东京技术研究院的研究者设计制作了三维的孔洞波导，其光子晶体部分是靠介质和半导体层交替生长得到的。靠优化空气缺陷结构，作者制作了传输损耗非常低的波导，同时该波导还具有偏振和温度不敏感的优势，适合作为密集波分复用的光载体使用。
三、纳米波导与纳米颗粒：
纳米波导是指波导横截面尺寸为几个到几百个纳米的波导。目前研究广泛的纳米波导有硅纳米线和表面等离子波导两种。此次专刊关于前者的涉及很少，因此主要看一些关于表面等离子波导的相关报导：
表面等离子波导就是利用光在金属和介质界面可以以表面波方式传输而形成的一种波导结构。由于该波导结构具有相当大的等效折射率，因此可以让光容易聚焦在一个非常窄的区域，达到很高的能量密度。但是由于金属材料固有的损耗特性，使得该波导具有很大的传输损耗，因此很难做出高品质的光电器件。本期一篇特邀论文来自韩国研究者，作者使用聚合物材料作介质，在其中插入一条非常薄的金片。当金片厚度达到14nm，宽度达到2μm时，传输损耗仅为1.4dB/cm。这已经算是一个可以接受的数值了。当让金片厚度14nm，宽度7.5 μm时，作者实现了对光纤仅0.1dB的低耦合损耗。作者证明这样的表面等离子波导非常适合10Gb/s的光电应用，在保持良好光电特性的同时，能让器件尺寸降低一到两个数量级。
此外，来自韩国的另一项研究在传统表面等离子波成像系统中引入了纳米线结构，将探测灵敏度提升了3.44倍。
除了纳米波导，纳米颗粒也是很重要的一种结构，多个或单个纳米颗粒具有某些独特的光学品质，在传感等领域具有广泛应用前景。专刊里有一篇来自中山大学的研究，作者通过飞秒激光器切割技术，在ZnSe材料表面制作了许多纳米颗粒，这种有纳米颗粒的表面改进了材料的太赫兹发射特性，可以将太赫兹发射功率提高近两倍。
