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CN114503380A - 纳米晶体表面发射激光器 - Google Patents

纳米晶体表面发射激光器 Download PDF

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CN114503380A
CN114503380A CN202080069836.0A CN202080069836A CN114503380A CN 114503380 A CN114503380 A CN 114503380A CN 202080069836 A CN202080069836 A CN 202080069836A CN 114503380 A CN114503380 A CN 114503380A
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nanowires
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罗龙虎
R·T·拉希德
刘先河
米泽田
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University of Michigan
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Abstract

全外延的、电注入的表面发射绿色激光器在约520‑560纳米(nm)的范围内工作。例如，在523nm，器件表现出每平方厘米约0.4千安培(kA/cm2)的阈值电流密度，其与先前报道的蓝色激光二极管的阈值电流密度相比要低一个数量级以上。

Description

纳米晶体表面发射激光器
相关美国申请
本申请要求提交于2019年10月15日，序列号62/915,432，Yong-Ho Ra等人的标题为“电泵浦面发射半导体绿色激光器(Electrically Pumped Surface-EmittingSemiconductor Green laser)”的美国临时申请的优先权，在此通过引用将其全文并入。
根据35 U.S.C.202(c)(6)的声明
本发明是在美国国家科学基金会授予的ECCS1709207以及美国陆军/陆军研究办公室授予的W911NF-17-1-0388的政府支持下进行的。政府在本发明中具有一定权利。
背景技术
首先在1979年提出的垂直腔面发射激光器(VCSEL)二极管从器件顶表面垂直发射相干光束，并提供与常规边缘发射激光器相比的许多优点，包括较低的阈值电流、圆形并低发散的输出光束、单纵模发射、更长的寿命、以及更容易生产密集的二维阵列。商用VCSEL是在砷化镓(GaAs)和磷铟(InP)衬底上制造的，这些衬底主要发射近红外波长的光。基于氮化镓(GaN)的半导体是在可见光和紫外光谱范围内工作的激光器的选择，并且已经致力于开发基于GaN的VCSEL。然而，工作波长在很大程度上局限于蓝色光谱范围。
双介电分布式布拉格反射器(DBR)是常规VCSEL的主要组件。DBR由具有相对较大的折射率差异的材料的多个替代层组成，以提供非常高的反射率。具有几乎晶格匹配层的DBR可以在基于GaAs和基于InP的系统中形成，但是对于基于GaN的系统而言仍然是关键的挑战。GaN与AlN之间(约2.5％)和GaN与InN之间(约11％)的大晶格失配，连同难以实现的有效p型导电，导致基于GaN的DBR具有高电阻率、大密度缺陷和位错以及相对低的反射率。另外，常规的c面GaN器件的强极化场的存在以及所产生的量子限制斯塔克效应(QCSE)，进一步使辐射复合率降低，导致阈值变高和操作不稳定。为了解决这些问题，已经报道了通过利用AllnN/GaN DBR或双介电DBR以及通过在m面GaN衬底上生长器件的基于GaN的蓝色VCSEL。然而，所得到的器件在室温下仍然表现出非常大的阈值电流密度(Jth大于每平方厘米十千安培)，其中工作波长仍然限于400-460纳米(蓝色光谱范围)。
迄今为止，还不存在在人眼最敏感的绿色波长范围内工作的全外延表面发射激光二极管的演示。先前报道的室温连续波(RTCW)表面发射绿色激光二极管依赖于DBR的使用和将晶圆键合到铜板以用于低热阻。实现低电流阈值、高效率、全外延表面发射绿色激光二极管-将能够实现许多激发的应用，包括诸如微型投影仪的投影显示器、塑料光纤通信、无线通信、光学存储、智能照明和生物传感器。表面发射半导体激光器已广泛用于数据通信、感测、面部识别和增强现实眼镜中。
发明内容
本文公开了不一定必须使用分布式布拉格反射器(DBR)的全外延电注入纳米晶体表面发射激光器(NCSEL)。在实施例中，器件工作在绿色波长范围的约520-560纳米(nm)的范围内。例如，在523nm，器件表现出每平方厘米约0.4千安培(kA/cm2)的阈值电流密度Jth，其与先前报道的蓝色激光二极管相比要低一个数量级以上。因此，低阈值表面发射激光二极管可在从紫外线到深可见光(约200-600nm)的波长下工作，并且器件性能不再受缺乏高质量DBR、大晶格失配和衬底可用性的限制。本文中所公开的NCSEL可用以实现超小半导体激光器，所述超小半导体激光器可将显示器的效率和分辨率改进十倍到100倍。
在阅读以下在各个附图中示出的实施例的详细说明之后，本领域普通技术人员将认识到本发明的各个实施例的这些和其他目的和优点。
附图说明
并入本说明书中并构成本说明书的一部分且其中类似标号描绘类似元件的附图示出本公开的实施例，并且与详细描述一起用于解释本公开的原理。附图不一定按比例绘制。
图1A示出了根据本发明的实施例中的单片器件。
图1B是根据本发明的实施例中的纳米晶体阵列的俯视图。
图1C示出了根据本发明的实施例中的纳米线的结构。
图1D示出了根据本发明的实施例中的光子纳米晶体结构的倒易晶格。
图1E示出了根据本发明的实施例中的纳米晶体表面发射激光器(NCSEL)的光子带结构。
图1F示出了根据本发明的实施例中的纳米晶体或纳米线在室温下测量的光致发光(PL)光谱。
图1G示出了根据本发明的实施例中的核-壳多量子盘纳米晶体和常规多量子盘纳米晶体的PL发射光谱。
图2A示出了根据本发明的实施例中的代表性纳米晶体的高角度环形暗场(HAADF)原子序数对比图像。
图2B是图2A中的图像的区域的高倍放大率图像。
图2C示出了根据本发明的实施例中的纳米晶体的有源区的高倍放大率HAADF图像。
图3A示出了根据本发明的实施例中的NCSEL。
图3B示出了图3A的NCSEL的电流-电压曲线的示例。
图3C示出了图3A的NCSEL的电致发光(EL)光谱。
图3D示出了图3A的NCSEL的输出功率对注入电流的变化。
图3E和3F分别示出了图3A的NCSEL在不同注入电流密度下的光谱线宽度和波长峰值位置的变化。
图4A示出了根据本发明的实施例中的NCSEL的不同极化的EL光谱。
图4B示出了根据本发明的实施例中的NCSEL的EL强度对极化角度的变化。
图5示出了根据本发明的实施例中的NCSEL的有效折射率的变化。
图6A、6B、6C、6D、6E、6F、7A和7B示出了根据本发明的实施例中的用于制造NCSEL的步骤的示例。
图8示出了根据本发明的实施例中的纳米晶体结构。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的各种实施例，其示例在附图中示出。虽然结合这些实施例进行描述，但是应理解的是，其并不旨在将本公开限于这些实施例。相反，本公开旨在覆盖可被包括在由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内的替换、修改和等同物。此外，在本公开的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本公开的透彻理解。然而，应当理解，本公开可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他实例中，未详细描述众所周知的方法、程序、组件和电路，以免不必要地模糊本公开的各方面。
这些图不一定按比例绘制，并且仅示出了所描绘的器件和结构的部分、以及形成那些结构的各个层。为了简化讨论和说明，可以仅描述一个或两个器件或结构，尽管实际上可以存在或形成多于一个或两个器件或结构。而且，虽然讨论了某些元件、组件和层，但是根据本发明的实施例不限于这些元件、组件和层。例如，除了所讨论的那些之外，还可存在其他元件、组件、层等。
以下详细描述的一些部分是根据用于制造如在此公开的那些器件的程序和其他操作表示来呈现的。这些描述和表示是器件制造领域的技术人员用来将其工作的实质最有效地传达给本领域的其他技术人员的手段。在本申请中，程序、操作等被设想为是产生期望结果的自相一致的序列或步骤。被描述为单独的框的操作可以在相同的处理步骤中(即，在相同的时间间隔中，在前面的处理步骤之后并且在下一个处理步骤之前)被组合并被执行。此外，可以以与以下描述操作的顺序不同的顺序执行操作。此外，制造工艺和步骤可以与本文所讨论的工艺和步骤一起执行；即，在本文所示和所述的步骤之前、之间和/或之后可以存在多个工艺步骤。重要的是，根据本发明的实施例可以结合这些其他(或许常规的)过程和步骤实现而不显著扰乱它们。一般而言，根据本发明的实施例可以替换常规工艺的部分而不显著影响外围工艺和步骤。
本公开引入纳米晶体表面发射激光器(NCSEL)二极管，其不必包括分布式布拉格反射器(DBR)等(例如，布拉格反射镜或介电反射镜)，并且其可在绿色光谱中有效地工作。
图1A示出了根据本发明的实施例中的单片器件100，该单片器件包括衬底106上的纳米晶体阵列102。单片器件是具有单个衬底的器件；即，纳米晶体阵列102制造在单个衬底上，且当并入到例如激光器中时，纳米晶体阵列不与该衬底分离。
纳米晶体阵列102包括多个纳米晶体或纳米线104(每个纳米线是一个纳米晶体，并且纳米晶体阵列包括纳米线阵列，因此在此这些术语可以互换地使用)。图1B是根据本发明的实施例中的阵列102的俯视图。阵列102中的纳米线104的尺寸、间距和表面形态被精确地控制。每个纳米线104具有六边形形状；即，它们各自具有是六边形的横截面。阵列102包括多行纳米线，每行包括多个纳米线。在实施例中，阵列102中的纳米线104布置成三角形晶格。纳米线104的直径和晶格常数在图1B中分别表示为d和a。在实施例中，纳米线104在相邻纳米线之间具有大约30纳米(nm)的间隔(间隙)、大约600nm的高度、大约230nm的横向尺寸，并且晶格常数(节距)为大约250nm。纳米线104呈现均匀长度、平滑侧壁和高(深度对宽度)纵横比。由于有效的应变弛豫，纳米线104的纳米结构没有位错。
图1C示出了根据本发明的实施例中的纳米线104的结构。在实施例中，纳米线104包括n掺杂氮化镓(n-GaN)覆层或区110、异质结构或有源区112和p掺杂GaN(p-GaN)覆层或区114。(有源区112包括所公开的异质结构，并且这些术语在本文中可互换地使用。)在实施例中，有源区112是在有源区中包括多个InGaN量子盘122的铟-GaN和铝-GaN(InGaN/AlGaN)核-壳异质结构。在实施例中，n型GaN覆层110为大约370nm厚(在纳米线104的纵向方向上测量)，并且p型GaN覆层114为大约190nm厚；然而，本发明不限于此。
图1C还示出了在根据本发明的实施例中的异质结构(有源区)112的放大图。量子盘122结合在有源区112的半极性平面上，这可以显著减小量子限制斯塔克效应(QCSE)。独特的AlGaN壳结构124也被布置在包围量子盘122的半极性平面上，如图1C所示。壳结构124抑制表面复合。
因为量子盘122和壳结构124设置在纳米线104的半极性平面上，所以异质结构112通常为锥形或金字塔形，并且随着距衬底106(图1A)的距离增加而变窄。有源区112的独特的三维(3D)结构提供了比在水平平面中垂直排列的常规量子盘/点有源区大两倍的发射面积。
在实施例中，壳结构124与量子盘122交错。即，在实施例中，壳结构124包括多个层，并且每个壳层(除了最外面的壳层以外)被布置在两个量子盘之间(并且这样，每个量子盘被布置在两个壳层之间)。
在制造过程中，壳结构124自发地形成在有源区112的侧壁上(参见以下图6A的讨论)。由于由大带隙AlGaN壳124提供的有效横向限制，这导致非辐射表面复合显著减小。此外，由于有源区的大得多的表面，有源区112的独特的准3D结构表现出大大增强的表面发射和提高的载流子注入效率。由于极化场减小，这种半极性结构可有效地抑制QCSE。
纳米线104在至少小于每平方厘米十千安培(kA/cm2)的数量级的阈值电流密度下发射具有在520-560纳米(绿色光谱范围)范围内的波长的光(激光，例如通过受激发射或粒子数反转的光)。在实施例中，纳米线104在大约400A/cm2和更小的数量级的阈值电流密度下以523.1nm工作，并且在室温下表现出高度稳定的运行。
在实施例中，衬底106(图1A)是透光的；即，由纳米晶体阵列102产生的光可以穿过衬底。在另一个实施例中，衬底不是透光的(例如，它是不透明的)。
纳米晶体阵列102表现出光子带-边缘谐振效应。纳米晶体阵列102可用于制造电注入的纳米晶体表面发射激光器，在本文中称为NCSEL。特别地，纳米晶体阵列102可用于制造在绿色光谱范围内工作的NCSEL，但本发明不限于此。根据本发明的实施例引入可实现从深紫外(UV)范围到深可见范围(例如，约200-600nm)的高性能表面发射激光二极管的可行方法。显著地并且有利地，在不必使用常规的厚的和高电阻率的DBR等的情况下实现这种激光二极管。相干激光振荡的实现由远场发射模式和详细的极化测量证实。
在此公开的NCSEL的设计和模拟(包括能带图和模式轮廓)是使用具有麦克斯韦方程的二维有限元方法(2D-FEM)模拟执行的(还参见以下图5和随附的讨论)。图1D示出了根据本发明的实施例中的光子纳米晶体结构的倒易晶格。光子晶体结构的倒易晶格在布里渊区中具有六个等效伽马(Γ)点，这些点通过布拉格光栅向量(例如，K1和K2)耦合在一起。对应的光波长在无DBR(例如，介电反射镜)的光子晶体中形成驻波谐振。除了这种面内耦合之外，在六个Γ点与具有零面内波矢量的Γ点之间还存在面外耦合。波矢量基本上是垂直的，从而导致表面发射。
图1E示出了本文中公开的NCSEL的光带结构，由用于横向磁(TM)极化(EⅡc-轴)的2D-FEM模拟计算。第四带中的Γ点位于约0.48a/λ处(其中a是晶格常数，λ是波长)，其对应于约520nm的波长。群速度由光子带结构中的色散曲线的斜率确定。在带边缘处，当色散曲线的斜率变为零(例如，接近Γ点，光的群速度变为零(dw/dk→0))时，实现低群速度，从而导致形成稳定且大的单腔模式。模式强度主要分布在纳米晶体(图1C的纳米线104)中。极低的群速度导致辐射场与放射性材料之间的长相互作用时间，因此引起强烈的增益增强。光子也在垂直方向上被限制在有源区112周围，这是由于有源区中的较高平均折射率。图5中示出了垂直方向上的模式强度分布图。
图5示出了在根据本发明的实施例中NCSEL的有效折射率沿着生长方向的变化和TM极化模式强度分布。由于InGaN与GaN相比有更大的折射率，因此有源区周围的有效折射率更高。假定纳米晶体具有平顶形态，晶格常数为250nm，纳米晶体之间的间隔为30nm，并且填充材料(聚酰亚胺)的折射率为1.75，InGaN的折射率为2.69，AlGaN的折射率为2.35，n-GaN和p-GaN的折射率为2.38时，计算有效折射率。纳米晶体的直径近似为在50nm的高度内从170nm生长至255nm。由于填充材料的高粘度和纳米晶体之间的小间距，在GaN纳米晶体的根部附近存在气隙。考虑到图1A中的片段的长度，如图5中所示计算垂直方向上的有效折射率的变化和对应的TM极化模式。由于较高的折射率，该模式主要被限制在有源区112(图1C)附近。
如在此公开的NCSEL的实现要求纳米晶体(纳米线)尺寸、间距、以及跨相对大面积的均匀性的精确控制。纳米晶体阵列102(图1A)的制造通过使用等离子体辅助的分子束外延(MBE)的选择性区域外延的特殊技术来实现(还参见以下图7A和7B以及随附的讨论)。
图1F示出了在根据本发明的实施例中的纳米晶体或纳米线104(图1C)在室温下测量的光致发光光谱。峰值发射波长约为523nm。与没有AlGaN壳的类似结构相比，针对本文所公开的InGaN/AlGaN核-壳结构测量到显著增强的光致发光(PL)发射强度。
图1G示出了在根据本发明的实施例中InGaN/AlGaN核-壳多量子盘纳米晶体104(图1C)和不具有AlGaN壳的常规InGaN/GaN多量子盘纳米晶体的PL发射光谱。在室温(300开氏度(°K))下使用405nm激光作为激发源来测量图1G中所示的PL光谱。与没有AlGaN壳的常规InGaN/GaN异质结构相比，半极性InGaN/AlGaN核-壳112(图1C)的PL强度增强了几乎八倍。
图2A示出了根据本发明的实施例中的代表性InGaN纳米晶体(纳米线)104的高角度环形暗场(HAADF)原子序数对比图像。InGaN/AlGaN异质结构112形成为锥体或锥体状形状。这是由于如上所述具有Ga极性和金字塔状形态的n-GaN纳米晶体的形成。所产生的独特结构利用有源区112中的半极性效应来减少GaN纤锌矿结构中的极化场。
图2B是从图2A中的标记区拍摄的高倍放大率图像。倾斜的多量子盘层112可以在图2B中更清楚地观察到。通过代表性的选择性区电子衍射(SAED)模式分析而进一步支持在[0113]取向的半极性平面上形成多量子盘异质结构。
由于InGaN/AlGaN多量子盘层112的准3D结构，透射电子显微镜(TEM)图像具有从不同层的不同投影效果。从图2B的中间区域中具有亮对比度的宽厚度层，可以看出多个量子盘和壳结构形成为如上所述的锥状结构。通过形成如上所述的n-GaN结构而进一步支持这种锥形有源层的形成。独特的3D结构提供的发射面积比具有相同直径的垂直对准的典型量子盘/点有源区的发射面积大两倍。
图2C示出了根据本发明的实施例中的InGaN/AlGaN有源区112(图2A)的高倍放大率HAADF图像。高度均匀的多个量子盘层的存在可以通过不同的对比度水平来清楚地识别。没有观察到明显的扩展错配位错或堆垛层错。图2C的InGaN盘122与AlGaN势垒124的厚度分别为约2.5nm和约1.5nm；然而，本发明不限于此。
为了进一步确认有源区112的元素分布，沿着InGaN/AlGaN异质结构112的生长方向进行能量色散X射线光谱法(EDXS)分析，其在图2C中标记为“1”。因为Al的原子序数小于In的原子序数，所以其在TEM图像中具有较暗的对比度。In信号在较亮区显示最大值，在较暗区下降。相反，Al信号在较暗区中显示出明显的峰值，从而证实InGaN/AlGaN量子盘和壳异质结构的形成。
还通过EDXS点分析确认了在InGaN量子盘122的侧壁上自发形成的富含Al的AlGaN壳层124的存在。自发形成的AlGaN壳结构124可以有效地抑制非辐射表面复合，这是常规纳米结构器件性能的主要限制因素。
此外，半极性InGaN/AlGaN核-壳异质结构112提供几个明显的优点，包括与常规量子盘/点结构相比显著减小的极化场和增强的发光效率，以及显著改进的载流子注入效率和发光效率(见图1G和所附讨论)。这种独特的结构无法通过常规的自上而下方法来制造，因为有源区是由膜结构预先限定的。
图3A示出了根据本发明的实施例中的包括单片器件100以及其他组件(例如，参见图6F和所附讨论)的NCSEL 300。NCSEL 300可使用如下文结合图6A-6E描述的平面化、聚酰亚胺钝化、接触金属化及光刻技术来制造。NCSEL 300在垂直方向上(在图3A的定向上)发射激光，远离衬底106，如图中所示。
图3B示出了在根据本发明的实施例值中具有大约25平方微米(μm2)的示例表面积的NCSEL 300的电流-电压(I-V)曲线的示例。I-V曲线示出了在室温下具有约3.3V的急剧接通电压的整流特性。如图3B的插图所示，在反向偏压下漏电流是可忽略的，其示出了根据本发明的实施例中的电流密度与电压的关系。NCSEL 300展现极佳I-V特性，这部分地归因于器件的纳米晶体104中的显著降低的缺陷密度和增强的掺杂剂并入。所发射的光从纳米晶体(纳米线)104(图1A)的顶表面发射。
图3C示出了在根据本发明的实施例中在不同注入电流下测量的NCSEL 300的电致发光(EL)光谱。在约200A/cm2的低注入电流密度下，器件表现出以约524nm的波长为中心的宽发射光谱，具有约30nm的半峰全宽(FWHM)，其对应于有源区112的自发发射(图1C)。随着注入电流的增加，在大约523.1nm的波长处观察到尖锐的激光峰值，具有大约0.8nm的窄线宽。图3A的插图中示出了强激光斑，在电流密度约为1kA/cm2下记录。输出功率对注入电流的变化在大约400A/cm2处表现出明显的阈值，如图3D所示。与常规的基于GaN的垂直腔面发射激光器(VCSEL)相比，所测量的激光阈值明显更低。在连续波操作下，在大约1kA/cm2的注入电流密度下测量到大约12微瓦(μW)的输出功率。输出功率由于加热效应示出了随着注入电流增加而饱和。测量的输出功率显著高于先前报告的在460nm和500nm工作的基于GaN的VCSEL的值。
图3E和3F示出了在根据本发明的实施例中分别在不同的注入电流密度下的光谱线宽(FWHM)和波长峰值位置的变化。在这些示例中，光谱线宽在阈值电流密度下从约30nm减小到0.8nm。还看到，激光峰值位置在高于该阈值大约523nm处保持几乎恒定，从而表明本文所公开的NCSEL的激光高度稳定。低阈值电流密度和高度稳定的发射与纳米晶体光学腔的鲁棒光子带边缘模式、无位错自下而上纳米晶体结构以及减小的非辐射表面复合和抑制的极化场直接相关，在InGaN/AlGaN锥状壳有源区112中具有扩展的发射区(图1C)。
使用3D有限差分时域(FDTD)方法来模拟在此公开的纳米晶体激光结构的远场辐射图案。由于Γ点附近的波长具有非常小的面内波矢分量，所以期望波矢量几乎垂直。由于Γ点的该独特性质，远场图案确实在中心处展现具有非常小的发散角的斑点，这对应于高度准直的垂直发射。
用低于和高于本文所公开的NCSEL的阈值的电流密度测量远场图案。在阈值以下，远场图像显示几乎均匀的发射而没有任何干涉条纹，表明在纳米晶体阵列中形成高度均匀的带边模式。当电流密度高于阈值时，激光发射显示存在指示相干发射的干涉条纹。这些结果提供了强有力的证据，即已在本文公开的纳米晶体阵列中实现了相干激光振荡。
研究了在此公开的NCSEL的光发射的远场中的极化特性。极化程度被定义为ρ＝(I0°-I90°)/(I0°+I90°)，其中，I0°和I90°分别是对应于沿着零度(0°)和90°方向的电场的EL发射强度。图4A显示根据本发明实施例的在1kA/cm2的电流密度下对于不同极化测得的EL光谱。EL发射被高度极化。极化度大至0.86。在根据本发明的实施方式例的图4B中进一步绘制了EL强度对极化角(θ)的变化，显示了在θ＝0°处的高极化度。与常规光子晶体激光器器件相比，这是非常稳定且定向的极化发射。这些研究为表面发射激光器的实现提供了明确的证据。
图6A-6F示出了根据本发明的实施例中用于制造包括图1A的单片器件100的NCSEL600的步骤的示例。NCSEL 600是本文先前论述的NCSEL 300的示例(参见图3A-3F和随附的论述)。在某些材料(元件)、尺寸和值被包括在以下讨论中的情况下，本发明不限于此。
在图6A中，纳米晶体阵列102在衬底106上生长。在实施例中，纳米晶体阵列102中的每个纳米线或纳米晶体104包括n-GaN覆层或区域110、异质结构或有源区112和p-GaN覆层或区域114，如先前在本文中描述的(例如，图1C)。
更具体地，参见图7A，在衬底106上的n型GaN模板衬底704上制造图案化的薄膜纳米孔掩模702。在实施例中，掩模702为钛(Ti)，并且衬底106为氧化铝(Al2O3)。在实施例中，n型GaN模板衬底704为4微米(μm)厚，并且掩模702为10nm厚。掩模702可通过电子束蒸发器系统沉积于衬底704上。
在图7B中，使用旋涂技术将正性聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)用作抗蚀剂层。电子束光刻工艺用于获得纳米孔710的均匀阵列。在实施例中，纳米孔710每个都具有大约180nm的直径和以三角晶格排列的250nm的晶格常数；然而，本发明不限于此。在图案设计中考虑了横向生长效应。随后，甲基异丁基酮：异丙醇溶液可用于显影过程。此后，可通过反应离子干法蚀刻技术来蚀刻掩模702的暴露区。然后，可以清洁纳米孔图案化衬底710并且将其加载到分子束外延(MBE)生长室中。在GaN纳米晶体的选定区外延生长(SAG)之前，可以进行氮化步骤；因此，在实施例中，掩模702被转化为TiN膜，这防止在升高的温度下裂缝和降解的形成。在实施例中，通过射频(RF)等离子体辅助的MBE在n型GaN模板704上生长纳米晶体阵列102。
再次参见图6A，并且还参见图1C和2A，在纳米线104中形成(设置)InGaN/AlGaN核-壳异质结构112。首先，在n-GaN纳米晶体110的顶部表面区上生长InGaN核122盘层。由于应变引起的自组织效应，InGaN盘的尺寸变得小于n-GaN纳米晶体直径。由于与Ga和In吸附原子扩散相比Al吸附原子扩散长度更小，因此并入AlGaN势垒层而不是GaN势垒层导致形成围绕InGaN量子盘有源区的AlGaN壳结构。因此，包括InGaN区的顶部和侧壁的生长前沿可以由AlGaN层覆盖，从而导致大带隙AlGaN壳结构124的自发形成。通过重复生长工艺，可以围绕InGaN多量子盘结构122制造同轴对准的锥形AlGaN壳层124。
极性通常是指考虑到与纤锌矿型晶体结构的c轴共线的Ga-N键而GaN生长的方向。从Ga到N方向的矢量定义[0001]，这是c轴的正方向。当生长方向为[0001](例如，Ga极性)时，针对GaN纳米线实现金字塔形或锥形几何形状。相反，当生长方向为
Figure BDA0003578647430000121
时，结构具有N极性，这通常表现出平坦的顶部表面。在GaN纤锌矿晶体结构的情况下，极性关键性地取决于生长动力学、缓冲层、衬底和生长系统。如图8所示，n-GaN纳米晶体104形成为具有Ga极性的金字塔形或圆锥形，这是因为衬底106上的Ga封端的GaN模板。结果，该Ga极性晶体几何形状导致在有源区中形成锥形半极性多量子盘层。
在图6B中，纳米晶体阵列102首先通过使用聚酰亚胺层602的旋涂系统平坦化，随后等离子体蚀刻以暴露纳米晶体104的顶部表面。在图6C中，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积氧化硅(SiOx)钝化层610，并且有源区面积对应于SiOx层上的开口孔径612。在图6D中，通过利用电子束光刻技术的电子束蒸发器将金属电极614沉积在纳米晶体104的p-GaN区114的顶面上，然后进行退火。在实施例中，电极614由镍(Ni)和金(Au)组成。随后，沉积氧化铟锡(ITO)层616，以用作透明电极和电流扩展层。ITO层616也被退火。在图6E中，在ITO层616和n-GaN模板704的周围顶表面上沉积接触层以用作p金属触点618和n金属触点620。在实施例中，p金属触点618由Ni和Au组成，并且n金属触点620由Ti和Au组成。然后可以对所制造的具有金属触点的器件进行退火。
图6F示出了如刚才所描述而制造的NCSEL 600的实施例的横截面。在图6F的示例中，ITO层616是透光的，且激光在远离衬底106的方向上垂直发射且通过ITO层离开NCSEL600。
为了实现稳定且低电阻率的欧姆接触，可以优化触点620中的Ni和Au的厚度以及退火工艺，使得在退火时，Ni可以形成NiOx并且变得几乎透明。然而，薄Au层确实部分地阻挡所发射的光。然而，据估计，Au金属层在绿色波长区中的透射率约为60-70％，这导致不可忽略的光损耗并限制光功率。
在替代实施例中，ITO层616被替换为光反射层，并且衬底106是透光的。即，衬底106由透光性材料代替例如AL2O3构成。在此实施例中，激光在远离衬底106的方向上垂直发射，被光反射层反射回衬底，且经由衬底离开NCSEL。
总之，在此公开的是利用从底部(衬底)向上生长的纳米晶体的新一代表面发射激光二极管。这种独特的结构不是由常规的自上而下方法制造的，因为有源区是由膜结构预先限定的。清晰阈值、急剧的线宽减小、明显的远场发射模式、以及极化光发射的存在为实现相干激光振荡提供明确的证据。显著地，与常规VCSEL相比，在不使用厚的、电阻性的并且经常严重错位的DBR的情况下实现了激光和表面发射。这种独特的激光器概念可以容易地扩展到实现跨整个可见光谱以及中紫外波长和深紫外波长工作的全外延、无DBR的表面发射激光二极管，并且在低成本、大面积晶圆(例如，硅晶圆)上实现这种激光器。本文公开了在表面发射激光二极管的设计和开发中的新范例，其中性能不受DBR的可用性、晶格失配和衬底可用性的限制。
尽管已经用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，本公开中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。相反，上述具体特征和动作是作为实现本公开的示例形式来公开的。
因此描述了根据本发明的实施例。虽然已经在具体实施例中描述了本公开，但是本发明不应被解释为受这些实施例的限制，而是根据以下权利要求进行解释。

Claims (23)

1.一种纳米线，包括：
第一半导体区域；
第二半导体区域；以及
异质结构，其设置在所述第一半导体区域和所述第二半导体区域之间并且耦合到所述第一半导体区域和所述第二半导体区域；
其中，所述纳米线是可操作的，以在至少小于每平方厘米十千安培(10kA/cm2)的数量级的电流密度下发射具有在520-560纳米的范围内的波长的受激发射光。
2.根据权利要求1所述的纳米线，其中所述电流密度在0.4kA/cm2或更小的数量级上。
3.根据权利要求1所述的纳米线，其中所述第一半导体区域包括n掺杂的氮化镓，并且其中所述第二半导体区域包括p掺杂的氮化镓。
4.根据权利要求1所述的纳米线，其中所述异质结构包括壳层和量子盘，并且其中所述壳层包括氮化铝镓，并且所述量子盘包括氮化铟镓。
5.根据权利要求1所述的纳米线，其中所述异质结构包括壳层和量子盘，并且其中所述量子盘与所述壳层交错。
6.根据权利要求1所述的纳米线，其中所述异质结构是锥形并且随着距衬底的距离增加而变窄。
7.根据权利要求1所述的纳米线，其中所述异质结构包括：
量子盘，其设置在所述纳米线的第一半极性平面中；以及
壳层，其设置在所述纳米线的第二半极性平面中。
8.根据权利要求1所述的纳米线，其中所述纳米线具有为六边形的横截面。
9.一种器件，包括：
衬底；以及
表面发射激光器，其耦合到所述衬底并且包括纳米晶体阵列，所述纳米晶体阵列包括多个纳米线。
10.根据权利要求9所述的器件，其中所述纳米晶体阵列包括光学腔。
11.根据权利要求9所述的器件，其中所述纳米线具有包括光学腔的光子晶体结构；并且其中，在工作中，所述光子晶体结构被配置为在没有动态布拉格反射器的情况下在所述光子晶体结构中形成驻波。
12.根据权利要求11所述的器件，其中所述光子晶体结构的倒易晶格包括六个等效且耦合的布里渊区伽马点。
13.根据权利要求11所述的器件，其中所述纳米晶体阵列在工作中表现出均匀的光子带-边缘谐振效应。
14.根据权利要求9所述的器件，其中所述纳米线是可操作的，以在至少小于每平方厘米十千安培的数量级的电流密度下发射具有在520-560纳米的范围内的波长的受激发射光。
15.根据权利要求9所述的器件，其中所述纳米线是可操作的，以发射具有选自由以下各项组成的组的范围内的波长的受激发射光：10-400纳米；以及635-700纳米。
16.根据权利要求9所述的器件，其中所述多个纳米线中的每个纳米线包括：
n型半导体区域；
p型半导体区域；以及
异质结构，其在所述n型半导体区域与所述p型半导体区域之间，所述异质结构包括：
量子盘，其设置在所述纳米线的第一半极性平面中；以及
壳层，其设置在所述纳米线的第二半极性平面中。
17.根据权利要求9所述的器件，其中所述纳米晶体阵列包括多行所述纳米线，其中每行包括多个纳米线，其中所述多个纳米线中的每个纳米线具有为六边形的横截面，并且其中所述纳米线以三角形晶格布置在所述阵列中。
18.一种单片器件，包括：
衬底层；以及
表面发射激光二极管，其耦合至所述衬底层并且包括纳米结构阵列，所述纳米结构阵列包括多个纳米线，其中所述纳米线是可操作的以发射具有在520-560纳米的范围内的波长的受激发射光。
19.根据权利要求18所述的器件，还包括n型半导体层，其设置在所述衬底层上并且包括均匀的孔阵列，其中所述多个纳米线中的每个纳米线从所述孔阵列的相应孔延伸出。
20.根据权利要求18所述的器件，其中所述多个纳米线中的纳米线包括：
n型半导体区域；
p型半导体区域；以及
异质结构，其在所述n型半导体区域与所述p型半导体区域之间，其中所述异质结构包括：
量子盘，其设置在所述纳米线的第一半极性平面中；以及
壳层，其设置在所述纳米线的第二半极性平面中。
21.根据权利要求18所述的器件，其中所述纳米线具有均匀的直径、长度和形状，并且在所述纳米结构阵列内均匀地间隔开。
22.根据权利要求18所述的器件，还包括透光层，其耦合至所述纳米结构阵列。
23.根据权利要求18所述的器件，其中所述衬底层是透光的。
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