High-speed light emitters integrated on silicon chips can enable novel architectures for silicon-based optoelectronics, such as on-chip optical interconnects and silicon photonics. However, conventional light sources based on compound semiconductors face major challenges for their integration with the silicon-based platforms because of the difficulty of their direct growth on a silicon substrate. Here, we report high-speed, ultra-small-size on-chip electroluminescence (EL) emitters based on semiconducting single-walled carbon nanotube (SWNT) thin films. The peaks of the EL emission spectra are about 0.15-eV redshifted from the peaks of the absorption and photoluminescence emission spectra, which probably suggest emission from trions. High-speed responses of ∼100 ps were experimentally observed from the EL emitters, which indicate the possibility of several-GHz modulation. The pulsed light generation was also obtained by applying the pulse voltage. These high-speed and ultra-small-size EL emitters can enable novel on-chip optoelectronic devices for highly integrated optoelectronics and silicon photonics.

1.
D.
Estrada
and
E.
Pop
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
073102
(
2011
).
2.
T.
Mori
,
Y.
Yamauchi
,
S.
Honda
, and
H.
Maki
,
Nano Lett.
14
,
3277
(
2014
).
3.
F.
Pyatkov
,
S.
Khasminskaya
,
V.
Kovalyuk
,
F.
Hennrich
,
M. M.
Kappes
,
G. N.
Goltsman
,
W. H. P.
Pernice
, and
R.
Krupke
,
Beilstein J. Nanotechnol.
8
,
38
(
2017
).
4.
M.
Fujiwara
,
D.
Tsuya
, and
H.
Maki
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
143122
(
2013
).
5.
J. A.
Misewich
,
Science
300
,
783
(
2003
).
6.
M.
Freitag
,
J.
Chen
,
J.
Tersoff
,
J.
Tsang
,
Q.
Fu
,
J.
Liu
, and
P.
Avouris
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
076803
(
2004
).
7.
M.
Freitag
,
V.
Perebeinos
,
J.
Chen
,
A.
Stein
,
J. C.
Tsang
,
J. A.
Misewich
,
R.
Martel
, and
P.
Avouris
,
Nano Lett.
4
,
1063
(
2004
).
8.
J.
Chen
,
Science
310
,
1171
(
2005
).
9.
M.
Freitag
,
J. C.
Tsang
,
J.
Kirtley
,
A.
Carlsen
,
J.
Chen
,
A.
Troeman
,
H.
Hilgenkamp
, and
P.
Avouris
,
Nano Lett.
6
,
1425
(
2006
).
10.
S.
Liang
,
N.
Wei
,
Z.
Ma
,
F.
Wang
,
H.
Liu
,
S.
Wang
, and
L.-M.
Peng
,
ACS Photonics
4
,
435
(
2017
).
11.
E.
Adam
,
C. M.
Aguirre
,
L.
Marty
,
B. C.
St-Antoine
,
F.
Meunier
,
P.
Desjardins
,
D.
Ménard
, and
R.
Martel
,
Nano Lett.
8
,
2351
(
2008
).
12.
L.
Marty
,
E.
Adam
,
L.
Albert
,
R.
Doyon
,
D.
Ménard
, and
R.
Martel
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
136803
(
2006
).
13.
N.
Hibino
,
S.
Suzuki
,
H.
Wakahara
,
Y.
Kobayashi
,
T.
Sato
, and
H.
Maki
,
ACS Nano
5
,
1215
(
2011
).
14.
Y.
Liu
,
S.
Wang
,
H.
Liu
, and
L.-M.
Peng
,
Nat. Commun.
8
,
15649
(
2017
).
15.
F.
Pyatkov
,
V.
Fütterling
,
S.
Khasminskaya
,
B. S.
Flavel
,
F.
Hennrich
,
M. M.
Kappes
,
R.
Krupke
, and
W. H. P.
Pernice
,
Nat. Photonics
10
,
420
(
2016
).
16.
Z.
Ma
,
S.
Liang
,
Y.
Liu
,
F.
Wang
,
S.
Wang
, and
L.-M.
Peng
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
063114
(
2016
).
17.
N. M.
Ghazali
,
H.
Tomizawa
,
N.
Hagiwara
,
K.
Suzuki
,
A. M.
Hashim
,
T.
Yamaguchi
,
S.
Akita
, and
K.
Ishibashi
,
AIP Advances
9
,
105015
(
2019
).
18.
F.
Jakubka
,
S. B.
Grimm
,
Y.
Zakharko
,
F.
Gannott
, and
J.
Zaumseil
,
ACS Nano
8
,
8477
(
2014
).
19.
S.
Khasminskaya
,
F.
Pyatkov
,
K.
Słowik
,
S.
Ferrari
,
O.
Kahl
,
V.
Kovalyuk
,
P.
Rath
,
A.
Vetter
,
F.
Hennrich
,
M. M.
Kappes
,
G.
Gol’tsman
,
A.
Korneev
,
C.
Rockstuhl
,
R.
Krupke
, and
W. H. P.
Pernice
,
Nat. Photonics
10
,
727
(
2016
).
20.
M.
Gaulke
,
A.
Janissek
,
N. A.
Peyyety
,
I.
Alamgir
,
A.
Riaz
,
S.
Dehm
,
H.
Li
,
U.
Lemmer
,
B. S.
Flavel
,
M. M.
Kappes
,
F.
Hennrich
,
L.
Wei
,
Y.
Chen
,
F.
Pyatkov
, and
R.
Krupke
,
ACS Nano
14
,
2709
2717
(
2020
).
21.
A.
Ishii
,
X.
He
,
N. F.
Hartmann
,
H.
Machiya
,
H.
Htoon
,
S. K.
Doorn
, and
Y. K.
Kato
,
Nano Lett.
18
,
3873
(
2018
).
22.
T. H. C.
Hoang
,
E.
Durán-Valdeiglesias
,
C.
Alonso-Ramos
,
S.
Serna
,
W.
Zhang
,
M.
Balestrieri
,
A.-S.
Keita
,
N.
Caselli
,
F.
Biccari
,
X.
Le Roux
,
A.
Filoramo
,
M.
Gurioli
,
L.
Vivien
, and
E.
Cassan
,
Opt. Lett.
42
,
2228
(
2017
).
23.
Y.
Miyoshi
,
Y.
Fukazawa
,
Y.
Amasaka
,
R.
Reckmann
,
T.
Yokoi
,
K.
Ishida
,
K.
Kawahara
,
H.
Ago
, and
H.
Maki
,
Nat. Commun.
9
,
1279
(
2018
).
24.
G.
Lolli
,
L.
Zhang
,
L.
Balzano
,
N.
Sakulchaicharoen
,
Y.
Tan
, and
D. E.
Resasco
,
J. Phys. Chem. B
110
,
2108
(
2006
).
25.
D. E.
Resasco
,
W. E.
Alvarez
,
F.
Pompeo
,
L.
Balzano
,
J. E.
Herrera
,
B.
Kitiyanan
, and
A.
Borgna
,
J. Nanopart. Res.
4
,
131
(
2002
).
26.
V.
Perebeinos
and
P.
Avouris
,
Phys. Rev. B
74
,
121410
(
2006
).
27.
B. Q.
Cao
and
J. A.
Rogers
,
Adv. Mater.
21
,
29
(
2009
).
28.
H.
Maki
,
T.
Sato
, and
K.
Ishibashi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
45
,
7234
(
2006
).
29.
S. P.
Schießl
,
N.
Fröhlich
,
M.
Held
,
F.
Gannott
,
M.
Schweiger
,
M.
Forster
,
U.
Scherf
, and
J.
Zaumseil
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
682
(
2015
).
30.
Y.
Kanemitsu
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
14879
(
2011
).
31.
N.
Akizuki
,
M.
Iwamura
,
S.
Mouri
,
Y.
Miyauchi
,
T.
Kawasaki
,
H.
Watanabe
,
T.
Suemoto
,
K.
Watanabe
,
K.
Asano
, and
K.
Matsuda
,
Phys. Rev. B
89
,
195432
(
2014
).
32.
R.
Matsunaga
,
K.
Matsuda
, and
Y.
Kanemitsu
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
037404
(
2011
).
33.
B.
Yuma
,
S.
Berciaud
,
J.
Besbas
,
J.
Shaver
,
S.
Santos
,
S.
Ghosh
,
R. B.
Weisman
,
L.
Cognet
,
M.
Gallart
,
M.
Ziegler
,
B.
Hönerlage
,
B.
Lounis
, and
P.
Gilliot
,
Phys. Rev. B
87
,
205412
(
2013
).
34.
T.
Uda
,
M.
Yoshida
,
A.
Ishii
, and
Y. K.
Kato
,
Nano Lett.
16
,
2278
(
2016
).
35.
M.
Yoshida
,
A.
Popert
, and
Y. K.
Kato
,
Phys. Rev. B
93
,
041402
(
2016
).
36.
T.
Koyama
,
S.
Shimizu
,
Y.
Miyata
,
H.
Shinohara
, and
A.
Nakamura
,
Phys. Rev. B
87
,
165430
(
2013
).
37.
S. M.
Santos
,
B.
Yuma
,
S.
Berciaud
,
J.
Shaver
,
M.
Gallart
,
P.
Gilliot
,
L.
Cognet
, and
B.
Lounis
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
187401
(
2011
).
38.
C.
Galland
and
A.
Imamoğlu
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
157404
(
2008
).
39.
T. F.
Rønnow
,
T. G.
Pedersen
, and
H. D.
Cornean
,
Phys. Rev. B
81
,
205446
(
2010
).
40.
L.
Colombier
,
J.
Selles
,
E.
Rousseau
,
J. S.
Lauret
,
F.
Vialla
,
C.
Voisin
, and
G.
Cassabois
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
197402
(
2012
).
41.
S.
Liang
,
Z.
Ma
,
N.
Wei
,
H.
Liu
,
S.
Wang
, and
L.-M.
Peng
,
Nanoscale
8
,
6761
(
2016
).
42.
S.
Mouri
,
Y.
Miyauchi
,
M.
Iwamura
, and
K.
Matsuda
,
Phys. Rev. B
87
,
045408
(
2013
).
43.
F.
Jakubka
,
C.
Backes
,
F.
Gannott
,
U.
Mundloch
,
F.
Hauke
,
A.
Hirsch
, and
J.
Zaumseil
,
ACS Nano
7
,
7428
(
2013
).
44.
D. M.-T.
Kuo
and
Y.-C.
Chang
,
Phys. Rev. B
72
,
085334
(
2005
).
45.
X.
Ma
,
L.
Adamska
,
H.
Yamaguchi
,
S. E.
Yalcin
,
S.
Tretiak
,
S. K.
Doorn
, and
H.
Htoon
,
ACS Nano
8
,
10782
(
2014
).
46.
H.
Hartleb
,
F.
Späth
, and
T.
Hertel
,
ACS Nano
9
,
10461
(
2015
).
47.
K. F.
Mak
,
K.
He
,
C.
Lee
,
G. H.
Lee
,
J.
Hone
,
T. F.
Heinz
, and
J.
Shan
,
Nat. Mater.
12
,
207
(
2013
).
48.
S.
Heinze
,
M.
Radosavljević
,
J.
Tersoff
, and
P.
Avouris
,
Phys. Rev. B
68
,
235418
(
2003
).
49.
Q.
Gu
and
J.
Chen
,
J. Lumin.
200
,
181
(
2018
).
50.
T.
Nishihara
,
Y.
Yamada
,
M.
Okano
, and
Y.
Kanemitsu
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
023101
(
2013
).
51.
A.
Nakamura
,
S.
Shimizu
,
T.
Koyama
,
Y.
Miyata
, and
H.
Shinohara
,
AIP Conf. Proc.
1566
,
163
164
(
2013
).
52.
A.
Ishii
,
M.
Yoshida
, and
Y. K.
Kato
,
Phys. Rev. B
91
,
125427
(
2015
).
53.
T.
Shiraishi
,
G.
Juhász
,
T.
Shiraki
,
N.
Akizuki
,
Y.
Miyauchi
,
K.
Matsuda
, and
N.
Nakashima
,
J. Phys. Chem. C
120
,
15632
(
2016
).
54.
Y.
Miyauchi
,
M.
Iwamura
,
S.
Mouri
,
T.
Kawazoe
,
M.
Ohtsu
, and
K.
Matsuda
,
Nat. Photonics
7
,
715
(
2013
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.