基于在石墨烯型基底上生长的纳米线的激光器或LED制造技术

一种装置，比如发光装置，例如激光装置，该装置包括：多个III‑V族半导体NW，多个III‑V族半导体NW生长在石墨基底的一侧上，优选地穿过所述石墨基底上的可选的孔图案掩模的孔；第一分布式布拉格反射器或金属镜，第一分布式布拉格反射器或金属镜大致平行于所述石墨基底定位，并且定位在所述石墨基底关于所述NW的相对侧；可选地，第二分布式布拉格反射器或金属镜与所述NW的至少一部分的顶部相接触；以及其中所述NW包括n型掺杂区域和p型掺杂区域以及可选地位于n型掺杂区域与p型掺杂区域之间的本征区域。

Laser or LED based on nanowires grown on graphene substrates

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于在石墨烯型基底上生长的纳米线的激光器或LED
本专利技术涉及薄石墨层作为透明基底用于纳米线(NW)生长的用途，所述纳米线可以形成为诸如竖向腔表面发射激光器(VCSEL)或谐振腔发光二极管(RCLED)之类的装置。特别地，本专利技术涉及III-V族半导体NW在包括合适掺杂的石墨基底上的用途，并且本专利技术可以包括量子异质结构如量子阱、量子点或超晶格，这些量子异质结构定位在两个分布式布拉格反射器或金属镜之间以允许形成VCSEL或RCLED。
技术介绍
近年来，随着纳米技术成为重要的工程学科，对半导体纳米晶体(比如NW)的兴趣不断增强。也称为纳米晶须、纳米棒、纳米支柱、纳米柱等的NW已经被一些创造者发现在各种电气装置中有重要应用，所述电气装置比如为传感器、太阳能电池和发光二极管(LED)。本专利技术涉及基于在石墨基底上生长的NW的VCSEL或者涉及基于相同技术但在激光阈值以下操作的RCLED。激光器是一种通过基于受激发射的电磁辐射的光学放大过程而发光的装置。术语“激光器”起源于“通过辐射的受激发射进行光扩大”的首字母缩写。激光器与其他光源的不同之处在于激光器可以相干地发光。空间相干性允许激光聚焦到紧密点，从而实现诸如激光切割和光刻之类的应用。空间相干性还允许激光束在很远的距离内保持狭窄(准直)，从而实现比如激光指示器之类的应用。激光器还可以具有高时间相干性，这允许激光器发出具有非常窄光谱的光，即，激光器可以发出单色光。在其许多应用中，激光器用于光盘驱动器、激光打印机和条形码扫描仪；DNA测序仪器、光纤和自由空间光学通信；激光手术和皮肤治疗；切割和焊接材料；用于标记目标和测量范围和速度的军事和执法装置；以及娱乐中的激光照明显示。本专利技术尤其涉及纳米激光器和纳米LED。纳米激光器和纳米LED将促进新科学和技术的发展，比如局部激光冷却、显示器、节能固态照明、可穿戴光电子学、医疗装置和激光打印机。然而，纳米激光器结合到其他先进的光电平台中缺乏灵活性阻碍了基于纳米激光的研究和应用(比如纳米光子学/光电子学、凝聚态物理学和其他应用学科)的进一步发展。通常，NW具有数百纳米或更小(例如500nm-50nm)量级的宽度，并且纵横比(长宽比)为10或更大。给定这些典型尺寸，NW通常被认为具有一维(ID)各向异性几何结构。由于纳米线直径是对称的，因此NW的尺寸还可以将光限制在NW内的两个横向尺寸。由于NW的宽度以及NW与周围材料(例如空气或填料)之间的折射率对比，因此发生光学限制。光学限制使得光能够沿着NW的长度被引导。本专利技术人意识到，利用其一维(ID)各向异性几何结构，NW结构本身可以用作(i)法布里-珀罗光学腔(例如，其中激光/RCLED光可以循环)，以及(ii)适用于放大激光/RCLED光并且具有很强的载流子和光学限制以及态的增强的电子密度的增益介质。利用这些性质，专利技术人已经意识到可以用NW结构来形成纳米激光器和纳米LED。基于NW结构的这种纳米激光器和纳米LED可以分别广泛地称为NW激光器和NWLED。预计与其他激光源相比其性能更高、尺寸更小。通过对NW内的材料结构和/或组分以及NW的长度和宽度(例如直径)进行调制，可以灵活地调整在NW腔内支撑的光学模式。特别是，直接带隙III-V半导体NW激光器最近引起了极大的关注，这是因为材料本身最有希望实现高性能激光，从而覆盖了从红外线(例如，GaSb、InAs、GaAs)、可见光(例如GaAsP、InGaN)至紫外线(例如AlGaN、AlN)的材料。III-V材料与空气的高折射率差可以确保NW腔内的光的有效光学限制，从而实现稳定的室温激光发射行为。在NW(例如GaNNW中的InGaNQD)内部结合由低带隙材料组成的零维(OD)量子点(QD)结构是一种抑制三角函数式的状态密度的电子和空穴，从而促成低激光阈值、高温稳定性和品质因数的有效方法。因此，应当理解的是，NW激光器和NWLED可以提供许多期望的特性。然而，迄今为止，制造这种NW激光器和NWLED、特别是NWVCSEL和NWRCLED仍然是困难的，并且仍有若干重要的科学和实践挑战有待解决。下面列出了这些挑战中的一些，并且需要解决这些挑战，特别是需要制造NWVCSEL/RCLED阵列(期望它们以引起相邻NWVCSEL/RCLED之间的光学耦合以制造发光NW光子晶体(PC)阵列)：1.整体结合的难度。在分布式布拉格反射器(DBR)镜或金属镜上外延生长竖向III-VNW激光器具有挑战性。例如，基于GaAs的NW在[111]方向上外延生长，这与在GaAs(100)上生长的二维(2D)GaAs/AlAsDBR不相容。2.由于适合作为镜的许多DBR材料具有低导电性或甚至是绝缘的，因此难以制造电泵浦激光器。3.吸收电接触。例如，传统的透明ITO接触会大量吸收UV光，从而大大降低了激光性能。本专利技术人提出了NWVCSEL或NWRCLED，其涉及在诸如石墨烯的石墨基底上生长NW。特别地，专利技术人考虑在石墨烯上生长III-V族NW比如GaAs、GaN、AlN、InGaN、AlGaN和AlInGaNNW。以这种方式，专利技术人有利地使用石墨烯既作为基底又作为与NWVCSEL/RCLED相接触的透明和导电接触。专利技术人也已经意识到，由于石墨烯在所有有趣的电磁波波长上的透明度，石墨烯可以用作基于NW的发光装置的底部支撑物，而不阻挡从NW至可以放置在石墨烯下面的结构的光路(例如，不阻挡至底层DBR的光路)。NW在石墨烯上生长本身并不新奇。在WO2012/080252中论述了使用分子束外延(MBE)在石墨烯基底上生长半导体NW。WO2013/104723涉及对'252公开内容的改进，其中石墨烯顶部接触物用于在石墨烯上生长的NW。然而，这些先前的文献并未涉及激光器或LED。最近，专利技术人描述了在石墨烯上生长的核-壳NW(WO2013/190128)。US2011/0254034描述了在可见区域中发射的纳米结构LED。该装置包括纳米结构LED，其具有从基底突出的一组NW。NW具有p-i-n结，并且每个NW的顶部部分覆盖有光反射接触层，该接触层也可以用作电极。当在电极与光反射接触层之间施加电压时，在NW内产生光。然而，之前没有人考虑过基于在石墨烯型基底上生长的NW的激光器或LED(即，NW激光器/LED)。
技术实现思路
因此，从一个方面来看，本专利技术提供了一种装置，比如发光装置，例如激光装置，该装置包括：多个III-V族半导体NW，所述多个III-V族半导体NW生长在石墨基底的一侧上，优选地穿过石墨基底上的可选的孔图案掩模的孔；第一分布式布拉格反射器或金属镜，第一分布式布拉格反射器或金属镜大致平行于所述石墨基底定位，并且定位在所述石墨基底关于所述NW的相对侧；可选地，第二分布式布拉格反射器或金属镜与所述NW的至少一部分的顶部相接触；以及其中所述NW包括n型掺杂区域和p型掺杂区域以及可选地位于n型掺杂区域与p型掺杂区域之间的本征区域。从另一方面来看，本专利技术提供了一种装置，比如发光装置，例如激光装置，该装置包括：多个III-V族半导体NW，所述多个III-V族半导体NW生长在石墨基底的一侧上，优选地穿过石墨基底上的可选的孔图案掩模的孔；第一分布式布拉格反射器或金属镜，第一分布式布拉本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，比如发光装置，例如激光装置，所述装置包括：多个III‑V族半导体NW，所述多个III‑V族半导体NW生长在石墨基底的一侧上，优选地穿过所述石墨基底上的可选的孔图案掩模的孔；第一分布式布拉格反射器或金属镜，所述第一分布式布拉格反射器或金属镜大致平行于所述石墨基底定位，并且定位在所述石墨基底关于所述NW的相对侧上；可选地，第二分布式布拉格反射器或金属镜与所述NW的至少一部分的顶部相接触；以及其中所述NW包括n型掺杂区域和p型掺杂区域以及可选地位于所述n型掺杂区域与所述p型掺杂区域之间的本征区域。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.03 GB 1701829.21.一种装置，比如发光装置，例如激光装置，所述装置包括：多个III-V族半导体NW，所述多个III-V族半导体NW生长在石墨基底的一侧上，优选地穿过所述石墨基底上的可选的孔图案掩模的孔；第一分布式布拉格反射器或金属镜，所述第一分布式布拉格反射器或金属镜大致平行于所述石墨基底定位，并且定位在所述石墨基底关于所述NW的相对侧上；可选地，第二分布式布拉格反射器或金属镜与所述NW的至少一部分的顶部相接触；以及其中所述NW包括n型掺杂区域和p型掺杂区域以及可选地位于所述n型掺杂区域与所述p型掺杂区域之间的本征区域。2.一种装置，比如发光装置，例如激光装置，所述装置包括：多个III-V族半导体NW，所述多个III-V族半导体NW生长在石墨基底的一侧上，优选地穿过所述石墨基底上的可选的孔图案掩模的孔；第一分布式布拉格反射器或金属镜，所述第一分布式布拉格反射器或金属镜大致平行于所述石墨基底定位，并且定位在所述石墨基底关于所述NW的相对侧上；可选地，第二分布式布拉格反射器或金属镜与所述NW的至少一部分的顶部相接触；以及其中所述NW包括n型掺杂区域和p型掺杂区域以及可选地位于所述n型掺杂区域与所述p型掺杂区域之间的本征区域；其中所述区域中的至少一个包括至少一个异质结构；以及可选地所述区域中的至少一个包括电子阻挡层或空穴阻挡层。3.根据权利要求1至2所述的装置，其中所述第一分布式布拉格反射器或金属镜与所述石墨基底的相对侧相接触。4.根据权利要求1至3所述的装置，其中，所述n型掺杂区域或p型掺杂区域包括至少一个异质结构；以及可选地，述区域中的至少一个包括电子阻挡层或空穴阻挡层。5.根据权利要求1至3所述的装置，其中，存在所述本征区域并且所述本征区域包括至少一个异质结构；优选为至少一个量子异质结构；以及可选地，所述区域中的至少一个包括电子阻挡层或空穴阻挡层。6.一种装置，比如激光装置，所述装置包括：多个III-V族半导体NW，所述多个III-V族半导体NW生长在石墨基底的一侧上，优选地穿过所述石墨基底上的可选的孔图案掩模的孔；透明间隔层，所述透明间隔层大致平行于所述石墨基底，并且与所述石墨基底的相对侧相接触；第一分布式布拉格反射器或金属镜，所述第一分布式布拉格反射器或金属镜大致平行于所述透明间隔层，并且与所述透明间隔层相接触；可选地，第二分布式布拉格反射器或金属镜与所述NW的至少一部分的顶部相接触；以及其中所述NW包括n型掺杂区域和p型掺杂区域以及可选地位于所述n型掺杂区域与所述p型掺杂区域之间的本征区域。7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述区域中的至少一个包括至少一个异质结构，优选地所述本征区域包括至少一个异质结构；以及可选地，所述区域中的至少一个包括电子阻挡层或空穴阻挡层。8.根据权利要求6或7所述的装置，其中石墨烯玻璃形成所述石墨层和透明间隔层。9.根据权利要求2至5或者7至8所述的装置，其中所述异质结构是量子异质结构。10.根据权利要求2至5或者7至9所述的装置，其中，所述异质结构选自量子阱、量子点或超晶格。11.根据权利要求1至8中的任一项所述的装置，其中所述NW包括p型GaN/本征InGaN/n型GaNNW结构。12.根据权利要求1至8中的任一项所述的装置，其中，所述NW包括p型Al(Ga)N/本征(Al)(In)GaN/n型Al(Ga)NNW结构。13.一种装置，比如发光装置，例如激光装置，所述装置包括：多个III-V族半导体NW，所述多个III-V族半导体NW生长在石墨基底的一侧上，优选地穿过所述石墨基底上的可选的孔图案掩模的孔；第一分布式布拉格反射器或金属镜，所述第一分布式布拉格反射器或金属镜大致平行于所述石墨基底定位，并且定位在所述石墨基底关于所述NW的相对侧上；可选地，第二分布式布拉格反射器或金属镜与所述NW的至少一部分的顶部相接触；以及其中所述NW包括至少一个异质结构，所述至少一个异质结构优选地选自量子阱、量子点或超晶格；以及可选地，所述NW中的至少一个包括电子阻挡层或空穴阻挡层。14.一种装置，比如发光装置，例如激光装置，所述装置包括：多个III-V族半导体NW，所述多个III-V族半导体NW生长在石墨基底的一侧上，优选地穿过所述石墨基底上的可选的孔图案掩模的孔；透明间隔层，所述透明间隔层大致平行于所述石墨基底，并且与所述石墨基底的相对侧相接触；第一分布式布拉格反射器或金属镜，所述第一分布式布拉格反射器或金属镜大致平行于所述石墨基底定位，并且定位在所述石墨基底关于所述NW的相对侧上；可选地，第二分布式布拉格反射器或金属镜与所述NW的至少一部分的顶部相接触；以及其中所述NW包括至少一个异质结构，所述至少一个异质结构优选地选自量子阱、量子点或超晶格；以及可选地，所述NW中的至少一个包括电子阻挡层或空穴阻挡层。15.根据权利要求14所述的装置，其中，石墨烯玻璃形成所述石墨层和透明间隔层。16.一种装置，比如发光装置，装置例如激光装置，所述装置包括：多个III-V族半导体NW，所述多个III-V族半导体NW生长在石墨基底的一侧上，优选地穿过所述石墨基底上的可选的孔图案掩模的孔；第一分布式布拉格反射器或金属镜，所述第一分布式布拉格反射器或金属镜与所述NW的至少一部分的顶部相接触；可选地，第二分布式布拉格反射器或金属镜大致平行于所述石墨基底定位，并且定位在所述石墨基底关于所述NW的相对侧上；以及其中所述NW包括n型掺杂区域和p型掺杂区域以及可选地位于所述n型掺杂区域与所述p型掺杂区域之间的本征区域。17.一种装置，比如发光装置，例如激光装置，所述装置包括：多个III-V族半导体NW，所述多个III-V族半导体NW生长在石墨基底的一侧上，优选地穿过所述石墨基底上的可选的孔图案掩模的孔；第一分布式布拉格反射器或金属镜，所述第一分布式布拉格反射器或金属镜与所述NW的至少一部分的顶部相接触；可选地，第二分布式布拉格反射器或金属镜大致平行于所述石墨基底定位，并且定位在所述石墨基底关于所述NW的相对侧；以及其中所述NW包括至少一个异质结构，所述至少一个异质结构优选地选自量子阱、量子点或超晶格以及可选地，所述NW中的至少一个包括电子阻挡层或空穴阻挡层。18.根据权利要求16或17所述的装置，其中，不存在所述第二分布式布拉格反射器或金属镜；以及其中所述石墨基底呈石墨烯玻璃的形式。19.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，光以与所述NW的生长方向大致平行的方向且以与所述NW的生长方向相同的方向发射(以激光发射)，或者其中光以与所述NW的生长方向大致平行的方向且以与所述NW的生长方向相反的方向发射(以激光发射)。20.根据任一前述权利要求所述的装置，其中所述分布式布拉格反射器包括不同III-V族半导体的交替的层。21.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述分布式布拉格反射器包括一种或多种电介质材料的交替的层。22.根据任一前述权利要求所述的装置，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·O·M·菲姆兰，H·韦曼，D·任，
申请(专利权)人：挪威科技大学，
类型：发明
国别省市：挪威,NO