基于多級共振原理的單粒子共振器的共振方式

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所硅光課題組研究員武愛民團(tuán)隊/龔謙團(tuán)隊與浙江大學(xué)副教授金毅課題組合作，在硅基襯底上研制出超小尺寸的包含InAs量子點的納米共振結(jié)構(gòu)，基于準(zhǔn)BIC原理實現(xiàn)了O波段的片上發(fā)光。7月28日，相關(guān)研究成果以Heterogeneously integrated quantum-dot emitters efficiently driven by a quasi-BIC-supporting dielectric nanoresonator為題，在線發(fā)表在Photonics Research上，并被選為當(dāng)期Highlight文章。

硅光集成技術(shù)具有大帶寬、低成本、低功耗和高集成度等優(yōu)勢，應(yīng)用于電信和數(shù)通的光互連，且在激光雷達(dá)（LiDAR）和醫(yī)療傳感及智能運(yùn)算領(lǐng)域也頗具潛力。然而，由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體，不能直接發(fā)光，硅基光源是行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵難題。模組和系統(tǒng)中的光源仍利用III-V材料來實現(xiàn)，工業(yè)界成熟的技術(shù)主要是利用高精度封裝將外部光源與硅光芯片耦合成組件。多材料體系的混合集成光源是行業(yè)發(fā)展的核心方向，以下方案備受關(guān)注：Flip-Chip混合集成、異質(zhì)鍵合以及硅基異質(zhì)外延。微系統(tǒng)所硅光團(tuán)隊深耕硅光Flip-Chip光源領(lǐng)域，在集成芯片上開展高性能的應(yīng)用示范，近期合作提出結(jié)合異質(zhì)集成和InAs量子點的亞波長尺寸片上光源實現(xiàn)方法。量子點是納米尺度的零維結(jié)構(gòu)，不僅對位錯缺陷比較鈍感，而且具備低閾值電流密度和高工作溫度等潛在性能。

基于多級共振原理的單粒子共振器具有豐富的共振方式，但光場局域能力弱且Q值不夠高，難以實際應(yīng)用于片上激光器。準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)（Quasi bound states in the continuum，QBICs）具有高局域性，為實現(xiàn)小尺寸以及陣列化的硅基發(fā)光器件開辟了新路徑。合作團(tuán)隊通過MBE（分子束外延）生長了包含InAs量子點和應(yīng)變緩沖/釋放層以及GaAs包層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用剝離和異質(zhì)鍵合將復(fù)合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到硅基襯底上（SiO2層上），結(jié)合準(zhǔn)BIC的物理機(jī)制，利用微納加工工藝實現(xiàn)了亞波長尺度的O波段的片上發(fā)光。

科研團(tuán)隊將III-V量子點外延和異質(zhì)鍵合技術(shù)相結(jié)合，消除了晶格失配的同時也避免了硅基外延的復(fù)雜多層緩沖層結(jié)構(gòu)，對于大規(guī)模片上光集成更有利，具體工藝流程見圖1。圖2（a）為結(jié)構(gòu)示意圖，納米盤結(jié)構(gòu)中包括了2.2原子層厚度的InAs量子點，上下分別是2 nm和6 nm的應(yīng)變緩沖層和應(yīng)變釋放層，還包括上下的GaAs包層和AlAs犧牲層。InAs量子點位于盤的中心位置，以匹配準(zhǔn)BIC模式的場分布，保證光與物質(zhì)充分的相互作用，該體系結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)量子點與準(zhǔn)BIC之間的耦合，從而增強(qiáng)光致發(fā)光；圖2（b）為不同尺寸諧振器的PL譜結(jié)果，結(jié)果表明，納米諧振器半徑尺寸在420 nm時支持準(zhǔn)BIC態(tài)，此時Q因子為68（理論值達(dá)到229），相比未達(dá)到準(zhǔn)BIC態(tài)時最高提升了11倍，這使光致發(fā)光強(qiáng)度最高提升了8倍。通過提高復(fù)合外延層的質(zhì)量以及優(yōu)化膜轉(zhuǎn)移工藝可以進(jìn)一步增強(qiáng)發(fā)光性能。該研究為實現(xiàn)硅基集成的片上光源提供了頗有前景的解決方案，對于大規(guī)模的光集成提供了超小尺寸的新器件，進(jìn)一步實現(xiàn)電致發(fā)光的片上光源則有望為硅基發(fā)光提供更有實用價值的解決方案。

圖1 異質(zhì)集成的InAs量子點發(fā)光器件的工藝流程

圖2 異質(zhì)集成量子點發(fā)光的實驗結(jié)果。（a）準(zhǔn)BIC態(tài)的片上量子點發(fā)光實驗示意圖，包括樣品的SEM圖；（b）不同半徑尺寸的InAs量子點的共振器在通信波段的光致發(fā)光光譜結(jié)果；（c）不同半徑的共振器對應(yīng)的Q因子，藍(lán)色虛線對應(yīng)準(zhǔn)BIC出現(xiàn)。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等的支持。