[发明专利]纳米线激光器结构和制造方法

说明书

芯壳纳米线激光器结构包括衬底(12)、长型支承元件(14)和长型本体元件(16)，其中，长型支承元件(14)从衬底延伸，该支承元件具有第一直径，长型本体元件(16)在支承元件上和/或周围延伸，该本体元件具有比第一直径大至少两倍的第二直径，其中，本体元件与衬底间隔开。

技术领域

本公开涉及纳米线激光器结构和用于形成纳米线激光器结构的方法，尤其是用于形成单片集成的纳米线激光器的方法。

背景技术

纳米线激光器的选址(尤其是在硅上)生长具有很大的潜力，并且可能成为未来光子器件的重要结构单元。尤其是，III-V族半导体纳米线具有制造新一代激光器和芯片上相干光源的潜力，因为它们能够以单模光波导的形式运作，共振地使光场再循环并提供增益。另外，小的纳米线覆盖面积便于直接生长在硅上，如以下文献中已证明的：Martensson等，“Epitaxial III-V Nanowires on Silicon(硅上的外延III-V族纳米线)”，Nano.Lett.4(2004)1987和J.Treu等，“Enhanced Luminescence Properties of InAs-InAsP Core-Shell Nanowires(增强发光性能的InAs-InAsP芯壳纳米线)”，Nano.Lett.13(2013)6070。然而，纳米线与硅衬底之间的低折射率反差提供了不良的模态反射率并妨碍产生激光的操作。例如，对于生长在硅上的GaAs-AlGaAs纳米线，GaAs-硅分界面处的模态反射率通常低于1％，并且仅通过将纳米线从生长衬底移除，反射率才可变得足够大的以实现产生激光的效果，如Mayer等，“Lasing from Individual GaAs-AlGaAs Core-Shell Nanowires up toRoom Temperature(从单独的GaAs-AlGaAs芯壳纳米线产生激光直至室温)”，NaturePhotonics 4，2013中所证明的。然而，将纳米线从生长衬底移除并将它们转移到不同的衬底是复杂且易于出错的纳米制造过程，并且防碍朝向集成式基于纳米线的光子器件的大规模生产的发展。

近来，cf.R.Chen等，“Nanolasers Grown on Silicon(在硅上生长的纳米激光)”，Nature Photonics 5(2011)170和H.Sun等，“Nanopillar Lasers Directly Grown onSilicon with Heterostructure Surface Passivation(直接在具有异质结构表面钝化的硅上生长的微型柱激光)”，ACS Nano.8，2014中已证明支持高阶螺旋形光学模式的锥形InGaAs微型柱在硅上产生激光。然而，他们相对大的覆盖面积和多模共振器结构通常会导致约为β＝0.01的相当低的自发发射偶联因子，并且因此，导致对于产生激光的高泵送阈值和复杂的远场辐射图。

所需要的是具有高耦合因子和易于且高效制造的集成式纳米线激光器结构。

发明概述

该目的通过根据独立权利要求1的纳米线激光器结构和根据独立权利要求12的用于形成纳米线激光器结构的方法来实现。从属权利要求涉及优选的实施方式。

根据本发明的纳米线激光器结构包括衬底、长型支承元件和长型本体元件，其中，长型支承元件从所述衬底延伸，所述支承元件具有第一直径，长型本体元件在所述支承元件上和/或周围延伸，所述本体元件具有比所述第一直径大至少两倍的第二直径，其中，所述本体元件与所述衬底间隔开。

发明人发现，通过在相对较薄的支承元件上和/或周围形成长型本体元件(其中，本体元件的直径至少是长型支承元件的直径两倍)，以及使本体元件与衬底间隔开，可在直接在衬底上选址生长的结构中实现具有高自发发射因子的激光腔。

由于它们的长型结构，可将支承元件和本体元件一起认为是纳米线。

从本公开的意义上而言，长型支承元件可理解为表示其长度大于其宽度的支承元件。