美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)納米光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室與清華大學(xué)合作研發(fā)了首款可在室溫下發(fā)光的片上CMOS通信激光器。該團(tuán)隊(duì)通過在納米光束硅腔上放置單層二價(jià)二碲化物構(gòu)建了無(wú)III-V族化合物的概念驗(yàn)證裝置。先前已有團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了類似的單層激光技術(shù)，但僅在低溫條件下才能實(shí)現(xiàn)。

圖1為研究團(tuán)隊(duì)通過在硅腔上形成單層二碲化鉬膜實(shí)現(xiàn)了首個(gè)室溫下發(fā)光的CMOS激光器示意圖

▍二碲化鉬
二碲化鉬（MoTe2）—稱為過渡金屬二硫?qū)僭鼗衔?mdash;是能夠在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)紅外線激光帶隙發(fā)熒光的半導(dǎo)體。當(dāng)結(jié)晶成薄的原子單層時(shí)，它具有柔性、抗裂紋、幾乎透明以及和CMOS兼容的特性。

▍硅腔工藝
電氣工程學(xué)教授Cun-Zheng Ning表示：“我們的納米光束硅腔是由標(biāo)準(zhǔn)的CMOS硅絕緣體晶圓制成的，沒有利用任何高溫工藝，這通常是CMOS工藝需要考慮的問題。MoTe2層的生成是一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械過程。換句話說，除了CMOS行業(yè)常見的標(biāo)準(zhǔn)處理工藝之外，我們沒有使用任何其他工藝。”

圖2為美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)Cun-Zheng Ning教授

▍原理實(shí)現(xiàn)
如圖1所示，研究人員通過在硅腔上形成單層的MoTe2膜實(shí)現(xiàn)了首個(gè)室溫下發(fā)光的CMOS激光器，MoTe2單層放置在薄硅腔之上，薄硅腔上刻有小孔，該裝置有效實(shí)現(xiàn)了在紅外通信頻帶放大產(chǎn)生足夠的激光，最終實(shí)現(xiàn)激光輸出。

Ning和清華大學(xué)的Yongzhuo Li，Jianxing Zhang，Dandan Huang等人在《自然納米技術(shù)》雜志上發(fā)表了一篇名為“在硅腔上集成單層MoTe2實(shí) 現(xiàn)室溫下連續(xù)激光輸出”的文章。文章提到，在硅腔的限制下，增益介質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)光子的放大。如傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器相比，該新型激光器能夠在常見的紅外通信波 段實(shí)現(xiàn)室溫下100倍的激光放大和輸出。研究人員補(bǔ)充說，該技術(shù)可以被修改以感知產(chǎn)生的激光，這就意味著將來(lái)有可能在同一CMOS芯片上實(shí)現(xiàn)光子發(fā)射器和 光子接收器的共存。

 

圖：激光器結(jié)構(gòu)示意圖

像通常的做法一樣，該概念驗(yàn)證芯片利用非常低功耗的常規(guī)激光器來(lái)泵浦MoTe2 CMOS激光器。Ning補(bǔ)充道：“現(xiàn)在我們利用633納米波長(zhǎng)的連續(xù)波氦氖激光實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的泵浦，實(shí)際上，該激光器的閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于紅光激光器的閾值。”

▍下一步工作
研究團(tuán)隊(duì)的下一步工作就是啟動(dòng)并調(diào)制該片上激光器。Ning表示，設(shè)計(jì)高效的電流注入方案是電注入激光器成功示范的關(guān)鍵，我們目前還處于設(shè)計(jì)和測(cè)試的階段。