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效率提高1000倍 納米級LED突破芯片間傳輸速率限制

2017-02-16

當論及在不同處理器內存之間提高芯片之間的傳輸流量時,光子學是一個熱門的話題。截至目前為止,微波導、光調變器、輸出耦合光閘與光探測器均已成功進行整合了,但要設計理想的微米級光源仍十分具有挑戰性。

荷蘭愛因霍芬科技大學(Eindhoven University of Technology)的研究人員在最近一期的《自然通訊》(Nature Communications)期刊中發表有關“芯片上波導耦合納米柱金屬腔發光二極管”(Waveguide-coupled nanopillar metal-cavity light-emitting diodes on silicon)的最新研究。研究人員展示一種接合至硅基板的納米級LED層堆棧,并可耦合至磷化銦(InP)薄膜波導形成光閘耦合器。

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新式納米級LED (nano-LED)的掃描式電子顯微鏡圖(SEM)顯示在金屬化之前的制造組件結構。納米柱LED位于連接至光閘耦合器的波導頂部

這種nano-LED采用次微米級的納米柱形狀,其效率可較前一代組件更高1,000倍,在室溫下的輸出功率僅幾納瓦(nW),相形之下,先前的研究結果約為皮瓦(pW)級輸出功率。根據該研究論文顯示,這種組件能夠展現相當高的外部量子效率(室溫分別為10^?4~10^?2,以及9.5K)。

而在低溫時,研究人員發布的功率級為50nW,相當于在1Gb/s速率下每位傳輸超過400個光子,這一數字“遠遠高于理想接收器的散粒噪聲(shot-noise)極限靈敏度。”該組件作業于電信波長(1.55μm),能以頻率高達5GHz的脈沖波形產生器進行調變。

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硅基板上的納米柱狀LED示意圖。從頂層到底層的堆棧分別是:n-InGaAs(100?nm)/n-InP(350?nm)/InGaAs(350?nm)/p-InP(600?nm)/p-nGaAsP(200?nm)/InP(250?nm)/SiO 2/BCB/SiO2/Si

研究人員表示,“由于短距離互連的損耗低,以及整合接收器技術持續進展,這一功率級可望以超精巧的光源實現芯片內部的數據傳輸。”

研究人員還開發了一種表面鈍化方法,能夠進一步為nano-LED提高100倍的效率,同時透過改善奧姆接觸(ohmic contact)進一步降低功耗。


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