基于平面微腔中嵌入锗自组装量子点的硅基发光器件

硅基光源是实现硅基光电子集成（OEIC）、硅片上光互连必不可少的器件，近年来已经成为光子学领域的研究热点之一。 最吸引人的目标是在硅衬底上实现光子器件和电子器件的单片集成，得到硅超级芯片。该芯片包含硅基光源等各种光子器件和CMOS驱动电路。本课题的目标是研究与CMOS工艺完全兼容的基于硅平面光学微腔中嵌入锗自组装量子点的小尺寸硅基发光器件。器件使用常规工艺制作，包括外延生长、电子束曝光和干法刻蚀等关键工艺。通过外延方法在绝缘层硅（SOI）上生长的自组装锗量子点被嵌入光子晶体微腔中作为有源介质，锗量子点的发光处在1.3至1.6μm的通信波长带内。相对体材料，量子限制效应提高了锗量子点的发光效率；同时，高质量光学微腔中的共振效应进一步大幅提高锗量子点的发光效率。在项目结束时将制作出室温电注入共振发光，主要发光峰处在通信波长的小尺寸硅基发光器件，给出一个新的硅基发光器件的研究方向。

本项目的目标是研制与CMOS工艺兼容的硅基发光器件。硅基光源是实现硅基光电子集成（OEIC）、硅片上光互连必不可少的器件，近年来已经成为光子学领域的研究热点之一。 本课题的目标是研究与CMOS工艺完全兼容的基于硅平面光学微腔中嵌入锗自组装量子点的小尺寸硅基发光器件。.在课题的支持下，课题组取得一系列进展，主要进展概述如下：.1，.开发了一整套高精度硅基、锗硅的微纳加工工艺，多次套刻精度达到10nm 左右，为制备高Q值光学微腔器件及锗量子点微腔发光器件奠定了基础。.2，.在高Q值光子晶体微腔的设计以及制备上取得了一些列结果，比如设计并制备出了Q值超过70000的光子晶体微环腔；设计并制备出了提升基模出色效率的改进型L3光子晶体微腔；基于高Q值光子晶体微腔内的光学限制效应，实现了一系列光学非线性效应。进一步在多种高Q值光子晶体微腔中嵌入自组装锗量子点并实现了室温共振荧光。设计并制备出了嵌入锗量子点的光子晶体纳米量腔，实现了在整个通讯波段内的单模、单波长发光。.3，.使用课题组新购置的分子束外延设备，生长出了高质量的锗量子点材料，实现了器件完全的自主加工和测试。进一步基于高精度微纳加工基于，通过在衬底上制备50nm尺寸的小孔，实现了锗量子点的定位生长，从而获得了可控的锗量子点材料，从而为实现锗量子点与微腔的精确耦合奠定基础。进一步结合锗量子点的定位生长技术与高精度电子束曝光套刻技术，实现了单锗量子点与光子晶体微腔的精确耦合，并在室温下观察到单锗量子点的共振荧光，发光强度与无微腔的量子点比较提升超过1000倍。.4，.为了提升锗量子点发光器件的发光功率，设计并制备了嵌入锗量子点的大模式提提硅基DFB谐振腔，并实现了锗量子点的室温下电注入发光。.经过4年的努力，按照任务书计划，项目较好的完成了课题的研究内容和预期目标。课题在Optics Express/Optical Letters (9篇), Nanoscale（2篇）, IEEE PTL/PJ/JLT（11篇）等杂志上发表SCI论文26篇，申请和授权发明专利5项，参加国际会议5人次，其中国际会议（CLEO：2014, EMN Quantum Meeting 2015）邀请报告2次。毕业博士生1人，硕士生6人，2名研究生获得国家奖学金。