基於平面微腔中嵌入鍺自組裝量子點的矽基發光器件

《基於平面微腔中嵌入鍺自組裝量子點的矽基發光器件》是依託華中科技大學，由夏金松擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於平面微腔中嵌入鍺自組裝量子點的矽基發光器件
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：夏金松
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

矽基光源是實現矽基光電子集成（OEIC）、矽片上光互連必不可少的器件，近年來已經成為光子學領域的研究熱點之一。 最吸引人的目標是在矽襯底上實現光子器件和電子器件的單片集成，得到矽超級晶片。該晶片包含矽基光源等各種光子器件和CMOS驅動電路。本課題的目標是研究與CMOS工藝完全兼容的基於矽平面光學微腔中嵌入鍺自組裝量子點的小尺寸矽基發光器件。器件使用常規工藝製作，包括外延生長、電子束曝光和乾法刻蝕等關鍵工藝。通過外延方法在絕緣層矽（SOI）上生長的自組裝鍺量子點被嵌入光子晶體微腔中作為有源介質，鍺量子點的發光處在1.3至1.6μm的通信波長帶內。相對體材料，量子限制效應提高了鍺量子點的發光效率；同時，高質量光學微腔中的共振效應進一步大幅提高鍺量子點的發光效率。在項目結束時將製作出室溫電注入共振發光，主要發光峰處在通信波長的小尺寸矽基發光器件，給出一個新的矽基發光器件的研究方向。

結題摘要

本項目的目標是研製與CMOS工藝兼容的矽基發光器件。矽基光源是實現矽基光電子集成（OEIC）、矽片上光互連必不可少的器件，近年來已經成為光子學領域的研究熱點之一。 本課題的目標是研究與CMOS工藝完全兼容的基於矽平面光學微腔中嵌入鍺自組裝量子點的小尺寸矽基發光器件。 在課題的支持下，課題組取得一系列進展，主要進展概述如下： 1， 開發了一整套高精度矽基、鍺矽的微納加工工藝，多次套刻精度達到10nm 左右，為製備高Q值光學微腔器件及鍺量子點微腔發光器件奠定了基礎。 2， 在高Q值光子晶體微腔的設計以及製備上取得了一些列結果，比如設計並製備出了Q值超過70000的光子晶體微環腔；設計並製備出了提升基模出色效率的改進型L3光子晶體微腔；基於高Q值光子晶體微腔內的光學限制效應，實現了一系列光學非線性效應。進一步在多種高Q值光子晶體微腔中嵌入自組裝鍺量子點並實現了室溫共振螢光。設計並製備出了嵌入鍺量子點的光子晶體納米量腔，實現了在整個通訊波段內的單模、單波長發光。 3， 使用課題組新購置的分子束外延設備，生長出了高質量的鍺量子點材料，實現了器件完全的自主加工和測試。進一步基於高精度微納加工基於，通過在襯底上製備50nm尺寸的小孔，實現了鍺量子點的定位生長，從而獲得了可控的鍺量子點材料，從而為實現鍺量子點與微腔的精確耦合奠定基礎。進一步結合鍺量子點的定位生長技術與高精度電子束曝光套刻技術，實現了單鍺量子點與光子晶體微腔的精確耦合，並在室溫下觀察到單鍺量子點的共振螢光，發光強度與無微腔的量子點比較提升超過1000倍。 4， 為了提升鍺量子點發光器件的發光功率，設計並製備了嵌入鍺量子點的大模式提提矽基DFB諧振腔，並實現了鍺量子點的室溫下電注入發光。 經過4年的努力，按照任務書計畫，項目較好的完成了課題的研究內容和預期目標。課題在Optics Express/Optical Letters (9篇), Nanoscale（2篇）, IEEE PTL/PJ/JLT（11篇）等雜誌上發表SCI論文26篇，申請和授權發明專利5項，參加國際會議5人次，其中國際會議（CLEO：2014, EMN Quantum Meeting 2015）邀請報告2次。畢業博士生1人，碩士生6人，2名研究生獲得國家獎學金。