美國加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)的研究人員展示采用兼容Si-CMOS光學(xué)微影工藝的三五(III-V)族納米柱LED設(shè)計，同時還能控制這些納米LED的精確生長位置——這是在CMOS電路中有效整合光子，從而實現(xiàn)快速芯片上光互連的關(guān)鍵元素。

　　研究人員在《ACS Photonics》期刊發(fā)表“以電信波長在具有明亮電致發(fā)光的硅晶上實現(xiàn)超威型位置控制的InP納米柱LED”(Ultracompact Position-Controlled InP Nanopillar LEDs on Silicon with Bright Electroluminescence at Telecommunication Wavelengths)一文中指出，控制生長位置的良率高達90%，可在硅晶上實現(xiàn)均勻的磷化銦(InP)納米柱數(shù)組，在CMOS兼容的條件下生長：低溫且無需催化劑。

位置可控制的InP納米柱數(shù)組在460℃時生長的低倍數(shù)放大SEM圖 所有影像中的比例尺分別對應(yīng)至10μm以及1μm、4μm和40μm的生長周期(間距)

　　研究人員先從干凈的硅晶圓(111)開始，在350℃下將140nm的二氧化沉積至直徑約320nm的納米級孔徑中，以1μm-40μm的間距定位納米柱成核位置。研究人員以化學(xué)方式使硅晶表面變得粗糙后，再以450℃～460℃的溫度在MOCVD腔中生長InP納米結(jié)構(gòu)。研究人員發(fā)現(xiàn)，納米柱的錐角明顯受到生長溫度的影響，在450℃時產(chǎn)生納米針，而在460℃下幾乎是垂直的柱狀結(jié)構(gòu)。

　　研究人員在這些納米柱的基礎(chǔ)上，透過同中心的核心-外殼(core-shell)生長，在pn二極管的主動區(qū)內(nèi)并入五個砷化鎵銦(InGaAs)量子阱，形成電驅(qū)動的n-InP/InGaAs MQW/p-InP/p-InGaAs納米LED。

納米柱MQW LED組件示意圖

　　由于核心-外殼的生長模式，納米柱由其成核位置生長而出，并延展至氧化物開口以外，達到約1μm的最終直徑。因此，當納米柱的n摻雜核心與n-Si基板直接接觸時，p摻雜的外殼在氧化物屏蔽上生長，消除了從p摻雜的外殼和n-Si基板的分流路徑。20/200nm的Ti/Au透過傾斜的電子束蒸發(fā)到高度p摻雜的InGaAs接觸層，完成該組件以形成電接觸，其中納米柱的小部份區(qū)域外露，而且沒有金屬作為LED光輸出的窗口。

　　為納米柱狀LED進行表征，在1510nm以及約30%的量子效率下進行射。雖然納米柱LED的占位空間小，但可輸出4μW功率，研究人員宣稱這是從納米柱/納米結(jié)構(gòu)LED所能實現(xiàn)的最高光輸出記錄。在此建置下，由于收集效率僅5%，可用的光輸出降至200nW。

　　該研究的另一個有趣之處是，該組件能以電偏置產(chǎn)生光增益，并在反向注入時表現(xiàn)出強光響應(yīng)，使其有助于實現(xiàn)芯片上的光子整合。