基于在石墨烯型基底上生长的纳米线的激光器或LED的制作方法

本发明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，本发明涉及iii-v族半导体nw在包括合适掺杂的石墨基底上的用途，并且本发明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。

背景技术：

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)。

本发明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。

本发明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。

本发明人意识到，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，发明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。

本发明人提出了nwvcsel或nwrcled，其涉及在诸如石墨烯的石墨基底上生长nw。特别地，发明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，发明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。发明人也已经意识到，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，发明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)。

技术实现要素：

因此，从一个方面来看，本发明提供了一种装置，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，本发明提供了一种装置，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；

其中，所述区域中的至少一个包括至少一个异质结构；并且可选地，所述区域中的至少一个包括电子阻挡层或空穴阻挡层。

从另一方面来看，本发明提供了一种装置，比如激光装置，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生长在所述石墨基底的一侧上，优选地穿过石墨基底上的可选的孔图案掩模的孔；

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，第一分布式布拉格反射器或金属镜大致平行于透明间隔层，并且与透明间隔层相接触；

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。

从另一方面来看，本发明提供了一种比如为发光装置的装置，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与所述nw相对的一侧上；

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；

并且其中，所述nw包括至少一个异质结构；并且

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。

从另一方面来看，本发明提供了一种的装置，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，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；

并且其中，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；并且

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。

从另一方面来看，本发明提供了一种装置，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；

并且其中，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，本发明提供了一种装置，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；

并且其中，所述nw包括至少一个异质结构；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。

优选地，存在所述本征区域(有源区域)，并且优选地所述本征区域包括至少一个异质结构，所述至少一个异质结构选自量子阱、量子点或超晶格。

在装置发光的情况下，光优选地以与nw的生长方向大致平行的方向且以与nw的生长方向相同的方向发射(以激光发射)。分布式布拉格反射器或金属镜优选地与石墨基底平行。

从另一方面来看，本发明提供一种激光装置，该激光装置包括：

多个nw，所述多个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电接触；

并且其中，所述nw包括n型掺杂区域和p型掺杂区域，所述n型掺杂区域和p型掺杂区域被本征区域(有源区域)隔开，其中，所述本征区域包括选自量子阱、量子点或超晶格的多个量子异质结构；以及

可选地，所述区域中的至少一个包括电子阻挡层。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于制备如上所述的装置的方法，该方法包括：

提供具有第一分布式布拉格反射器或金属镜的石墨基底，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，且位于所述石墨基底的一侧上；

使多个iii-v族半导体nw与所述dbr或金属镜相对地外延地生长在石墨基底上，优选地穿过所述石墨基底上的孔图案掩模的孔，

所述nw包括n型掺杂区域和p型掺杂区域，所述n型掺杂区域和所述p型掺杂区域可选地被本征区域(有源区域)隔开；以及

可选地，提供第二分布式布拉格反射器或金属镜，所述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。

如果存在本征区域则是优选的。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于制备装置的方法，该方法包括：

提供具有第一分布式布拉格反射器或金属镜的石墨基底，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，且位于所述石墨基底的一侧上；

使多个iii-v族半导体nw与所述dbr或金属镜相对地外延地生长在石墨基底上，优选地穿过所述石墨基底上的孔图案掩模的孔，

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；并且

可选地，提供第二分布式布拉格反射器或金属镜，所述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。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于制备装置的方法，该方法包括：

提供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透明间隔层相接触，所述间隔层与石墨基底相接触；

使多个iii-v族半导体nw与所述间隔层相对地外延地生长在所述石墨基底上，优选地穿过所述石墨基底上的孔图案掩模的孔，

所述nw包括n型掺杂区域和p型掺杂区域，所述n型掺杂区域和所述p型掺杂区域可选地被本征区域(有源区域)隔开；以及

可选地，提供第二分布式布拉格反射器或金属镜，所述与所述nw的至少一部分的顶部相接触。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于制备装置的方法，该方法包括：

提供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透明间隔层相接触，所述间隔层与石墨基底相接触；

使多个iii-v族半导体nw与所述间隔层相对地外延地生长在石墨基底上，优选地穿过所述石墨基底上的孔图案掩模的孔；

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；以及

可选地，提供第二分布式布拉格反射器或金属镜，所述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。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于制备装置的方法，该方法包括：

分别提供石墨基底或石墨烯玻璃；

使多个iii-v族半导体nw外延地生长在所述石墨基底上，优选地穿过所述石墨基底上的孔图案掩模的孔，

所述nw包括n型掺杂区域和p型掺杂区域，所述n型掺杂区域和所述p型掺杂区域可选地被本征区域(有源区域)隔开；以及

提供分布式布拉格反射器或金属镜，所述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。

从另一方面来看，本发明提供了一种制备根据权利要求17或18所述的装置的方法，该方法包括：

分别提供石墨基底或石墨烯玻璃；

使多个iii-v族半导体nw外延地生长在石墨基底上，优选地穿过所述石墨基底上的孔图案掩模的孔，

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；以及

提供分布式布拉格反射器或金属镜，所述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。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于制备根据权利要求13或14所述的装置的方法，该方法包括：

使多个iii-v族半导体nw外延地生长在所述石墨基底上，优选地穿过所述石墨基底上的孔图案掩模的孔；

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；以及

可选地，提供分布式布拉格反射器或金属镜，所述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

将所述石墨基底转移到dbr或金属镜上，或者转移到dbr上的透明间隔层上，或者转移到金属镜上的透明间隔层上。

定义

iii-v族化合物半导体是指包括至少一种来自iii族的元素和至少一种来自v族的元素的化合物半导体。每个族中可以存在多于一种元素，例如algan(即三元化合物)、alingan(即季化合物)等。名称al(in)gan意味着algan或alingan，即，in的存在是可选的。括号中指示的任何元素可能存在也可能不存在。

本文中所使用的术语纳米线(nw)用以描述纳米尺寸的实心线状结构。nw优选地在整个nw的大部分中具有均匀的直径，例如为其长度的至少75％。术语nw旨在涵盖纳米棒、纳米支柱、纳米柱或纳米晶须的使用，其中的一些可以具有渐缩的末端结构。可以说nw基本上是一维形式，其宽度或直径具有纳米尺寸，并且其长度通常在几百nm至几μm的范围内。理想地，nw直径在50nm至500nm之间。应当理解的是，通常存在特定的直径，以使nw限制某些光学模式并且用作波导。具体直径取决于nw的有效折射率和发射波长。

理想地，nw基部和nw顶部的直径应当保持大致相同(例如彼此的20％之内)。

应当理解的是，基底优选地承载多个nw。这可以称为nw阵列。然而，在一个实施方式中，设想可以使用单个nw开发诸如激光装置的发光装置。

用于基底的石墨层是由单层或多层石墨烯或其衍生物组成的膜。术语石墨烯是指蜂窝状晶体结构中的sp²键合碳原子的平面片。石墨烯的衍生物是具有表面改性的那些衍生物。例如，氢原子可以附接至石墨烯表面以形成石墨烷。具有与碳原子和氢原子一起附着于表面的氧原子的石墨烯被称为石墨烯氧化物。通过化学掺杂或氧/氢或氮等离子体处理也可以进行表面改性。

术语外延来自希腊语根epi，意思是“上方”，而taxis意思是“有序方式”。nw的原子排列基于基底的晶体结构。这是本领域中使用的术语阱。外延生长在本文中是指在nw的基底上生长，其模拟基底的取向。任何nw外延生长是优选的。

nw可以使用金属催化剂辅助的蒸汽-液体-固体(vls)或无催化剂方法从底部向上随机生长在石墨基底上。这些方法产生nw的长度和直径的巨大波动。通过在基底上使用具有纳米孔图案的掩模生长定位的nw可以实现更均匀的nw。nw在基底上的图案化掩模的孔中成核。这产生了nw的均匀的尺寸和预定位置。选择性区域生长(sag)是用于生长定位的无催化剂的nw的一种非常有前途的方法。该方法不同于金属催化剂辅助的vls方法，其中，金属催化剂充当nw的生长的成核位点。

术语掩模是指直接沉积在石墨层上的掩模材料。理想情况下，掩模材料不应当吸收发射的光(可以是红外线、可见光、uv-a、uv-b或uv-c)。掩模也应当是不导电的。掩模可以包含一种或多种材料，所述一种或多种材料包括al2o3、sio2、si3n4、tio2、w2o3等。随后，可以使用电子束光刻或纳米压印光刻以及干法蚀刻或湿法蚀刻来制备掩模材料中的孔图案。

分子束外延(mbe)是在结晶基底上形成沉积的方法。通过在真空中加热晶体基底以激发基底的晶格结构来执行mbe工艺。然后，将原子或分子质量束引导到基底表面上。以上所使用的术语元素旨在涵盖该元素的原子、分子或离子的应用。当被引导的原子或分子到达基底表面时，被引导的原子或分子遇到基底的赋能晶格结构，如下面详细描述的。随着时间的推移，并且通过合适的生长参数，进入的原子形成nw。

也称为金属有机化学气相沉积(mocvd)的金属有机气相外延(movpe)是mbe用于在结晶基底上形成沉积的替代方法。在movpe的情况下，沉积材料以金属有机前体的形式供应，其在到达高温基底时分解在基底表面上留下的原子。另外，该方法需要载运气体(通常为h2和/或n2)以在基底表面上传输沉积材料(原子/分子)。这些原子与其他原子反应在基底表面上形成外延层。仔细选择沉积参数会导致nw的形成。

应当理解的是，在本发明的装置中使用的nw包括光产生区域。光产生区域可以包括本征区域。光产生区域内的注入/激发载流子优选地重新组合以产生光。优选地，光产生区域包括一个或更多个异质结构，如量子阱、量子点、超晶格、多量子阱或多量子点。优选地，量子阱和量子点分别是直接带隙量子阱和直接带隙量子点。理想地，光产生区域的本征区域可以包括一个或更多个量子异质结构。光产生区域的本征区域可以夹在两个包层(cladding)区域之间。包层区域中的一个可以是p型掺杂区域。另一包层区域可以是n型掺杂区域。可以理解的是，将n型区域与p型区域之间的本征区域夹在中间将在nw内形成p-i-n结。

nw可以包括电子或空穴阻挡层、异质结(例如gan/aln异质结或短周期超晶格)。空穴阻挡层和/或短周期超晶格可以在nw的n型区域域内，并且单独的电子阻挡层和/或短周期超晶格可以在nw的p型区域域内。可能需要短周期超晶格作为所谓的(带隙)“分级层”以改善载流子传输到光产生区域并且因此改善激光性能。

结的取向无关紧要(例如，结可以是n-i-p或p-i-n)。在大多数情况下，优选的是，首先生长n型掺杂区域、然后是p型掺杂区域，或者然后是本征区域和p型掺杂区域。

异质结构(例如量子阱、量子点、超晶格或多qw/qd)的性质取决于nw本身的性质，但是本领域技术人员可以容易地确定。

qw包括夹在两个较高带隙材料区域之间的低带隙材料区域。较低带隙区域的宽度大小为德布罗意(broglie)波长的量级，并且较低带隙区域在较高带隙材料的两个区域之间延伸。较低的带隙材料在两个异质结处形成势能不连续，其中，较低的带隙材料与较高的带隙材料相接。势能不连续性限定了qw带结构的导带(conductionband)和/或价带(valanceband)中的一维势阱，以用于将载流子限制于较低带隙材料。势阱导致形成一个或更多个离散能级。较低带隙区域内的载流子在被限制在势阱中时可能占据离散的能级。

qd包括基本上由较高带隙材料的区域围绕的低带隙材料区域。较低带隙区域的尺寸大小为德布罗意波长的量级。较低的带隙区域在异质结处形成势能不连续，其中，较低的带隙区域与较高的带隙材料相接。这些势能不连续性定义了qd带结构的导带和/或价带中的三维势阱。三维势阱可以在所有三个维度上将载流子限制在较低的带隙区域，并且导致形成一个或更多个离散的能级。较低带隙区域内的载流子在被限制在势阱中时可能占据离散的能级。

分布式布拉格反射器(dbr)是由交替的电介质或半导电层形成的周期性结构，其可以用于在一定频率范围内实现几乎全反射。它是由具有不同折射率的多层交替材料形成的结构，或者是由电介质波导的某些特性(比如，高度)的周期性变化形成的，从而导致导向器中的有效折射率的周期性变化。本发明的dbr可以是电介质(在这种情况下，石墨基底变成电荷注入器)或半导电的。dbr可以与石墨层电接触或者在那里通过透明间隔层与石墨层分离。术语透明用于表示相对于装置发出的光是透明的。

金属镜是反射光的金属层比如al层。

术语谐振腔或光学腔被定义为两个dbr或金属镜之间的区域，因此通常是nw。

具体实施方式

本发明涉及基于在石墨基底上生长的nw的发光装置比如激光器或led的制备。本发明的nw激光器最好是竖向腔表面发射激光器(vcsel)——即nwvcsel。nwvcsel的结构在下面更详细地描述。本发明的nwled优选地是谐振腔发光二极管(rcled)——即nwrcled。nwrcled的结构可以与nwvcsel相同，但是在操作中，nwrcled布置成在激光阈值以下操作，而不是在激光阈值处或激光阈值以上操作。因此，应当理解的是，nwvcsel的以下描述也描述了nwrcled的结构。还应当理解的是，当在激光阈值以下操作时，nwvcsel可以被认为是nwrcled。nwrcled的光输出主要包括自发发射，这是因为nwrcled在激光阈值以下操作。当以激光阈值或高于激光阈值操作时，来自nwvcsel的光输出将主要包括受激发射。

vcsel是具有单片激光谐振器的半导体激光器，更具体地是激光二极管，其中发射的光沿与基底表面垂直，即，与石墨表面垂直的方向离开装置。谐振器(腔)通常由两个半导体或电介质分布式布拉格反射器(或金属镜)限定。在当前情况下，顶部(第二)dbr或金属镜是可选的，但是如果使用第二dbr或金属镜则是优选的。

在那些dbr或金属镜之间，存在包括光产生区域的nw。光产生区域在本文中也可以称为有源区域或增益介质。nw通常生长为包括p型掺杂区域、n型掺杂区域，并且理想地包括例如用于电泵nw的本征区域。nw的本征区域可以形成该nw的光产生区域的一部分或者是该nw的光产生区域。

每个nw的光产生区域优选地包括至少一个异质结构比如量子异质结构，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、优选地为多个量子阱、多个量子点或多个超晶格。优选地，每个nw的光产生区域包括多个量子异质结构。理想地，光产生区域包括本征区域，并且比如量子异质结构的异质结构在本征区域内。

nw内的p型掺杂区域优选地包含电子阻挡层。感兴趣的电子阻挡层将由nw的性质和nw内的异质结构决定，但是合适的电子阻挡层包括例如包括在p型gan区域中的p型algan层。

通常，p型区域中的电子阻挡层应当在导带中形成垒，并且优选地在价带中没有垒。相反，n型区域中的电子阻挡层(也称为“空穴阻挡层”)应当在价带中形成垒，并且优选地在导带中没有垒。通常，电子阻挡层夹在低带隙材料之间。

nw中可能有1至100个量子阱/量子点。量子阱/量子点包括布置在较高带隙区域之间的低带隙区域。较高的带隙区域可以被认为是nw内的阻挡层，这是因为较高的带隙区域提供了用于将载流子限制于低带隙区域的垒。感兴趣的阻挡层取决于所论述的iiiv族材料。

理想地，整个激光装置具有几微米例如1微米至10微米的总厚度。在使用中，有源区域以几十ka/cm²至几百ka/cm²的电流被泵浦，并且产生从几kw/cm²至几十kw/cm²的范围内的输出功率。通过两个电极施加电流。在一个实施方式中，石墨基底用作一个电极，通过该电极可以将电流供给至nw。在另一实施方式中，半导体dbr/金属镜用作一个或两个电极。该装置还可以根据需要设置有外部电极。

因此，本发明的激光装置优选地包括平行于石墨表面的两个分布式布拉格反射器(dbr)或金属镜。这些镜限定了包括一个或更多个nw的光学腔(或谐振腔)，所述一个或更多个nw优选地包含用于产生光(例如，产生激光和产生led光)的量子阱/量子点或超晶格。nw理想地包括p-i-n结，并且量子阱/量子点或超晶格理想地存在于本征区域内。

如下所述，平面dbr镜包括具有交替的较高折射率的层和较低折射率的层。特别地，dbr内的布拉格反射层的厚度通常约等于材料中激光波长的四分之一(或其某些倍数，例如1.25倍)，从而产生高达99％的强度反射率。vcsel中需要高反射率镜以平衡增益区的短轴向长度。

在半导体dbr的情况下，优选的是，上dbr和下dbr掺杂为p型材料和n型材料(反之亦然)，从而有助于二极管结。如果石墨基底用作电流注入器，则最靠近石墨层的dbr不需要是导电的。因此，本发明设想使用电介质dbr。

本发明的nwvcsel优选地包括产生波长为200nm至1600nm的光的光产生区域。对于红外波长区域，这可以通过使用包含砷化镓锑化物(gaassb)的光产生区域来实现，其中dbr由gaas和砷化铝镓(alxga1-xas)形成，其中x通常为0.25至1.00。因此，例如，光产生区域可以包括具有低带隙区域中的gaassb和高带隙区域中的gaas或algaas的量子异质结构(例如，量子阱/点)。

alas通常也被使用，这是因为gaas/alasdbr需要较少数量的布拉格对。gaas-al(ga)as系统有利于在vcsel中构造dbr，这是因为随着组分的改变材料的晶格常数不会强烈变化。然而，随着al分数的增加，algaas的折射率确实相对强烈地变化，从而使形成有效dbr所需的层数相比于其他候选材料系统而言被最小化。

对于较低的光波长例如200nm至400nm而言，优选地使用电介质dbr或金属镜。对于可见波长而言，al(ga)n/gandbr、电介质dbr或金属镜是优选选择。

为了提供uv范围内的光，nw的光产生区域包括algan，优选地具有al(ga)n/algandbr、电介质dbr或金属镜。

因此，根据本发明的装置优选地包括在石墨基底上外延生长的多个nw。每个nw从石墨基底突出并且包括光产生区域。理想地，光产生区域包括本征区域，并且光产生区域布置在p掺杂区域与n掺杂区域之间以形成p-i-n结。优选地，光产生区域包括一个或更多个量子异质结构(例如，一个或更多个量子阱或一个或更多个量子点)，所述一个或更多个量子异质结构理想地布置在本征区域内。

通过使nw激光器定向成使得其长度延伸出基底的平面，并且通过提供沿着nw的长度使光循环的器件(例如，通过在nw的两个端部处提供镜子)，nw可以形成nwvcsel。类似地，通过将nwled定向成使得其长度延伸出基底的平面，并且通过提供沿着nwled的长度使光循环的器件(例如，通过在nwled的长度的两个端部处提供镜子)，nwled可以形成nwrcled。

优选地，nwvcsel和nwrcled的长度从基底的水平平面大致竖向地延伸，nwvcsel和nwrcled分别布置在基底的水平平面上。因此，应当理解的是，通常nwvcsel和nwrcled在相对于基底的水平平面倾斜的方向上发光，而不是在与基底的平面大致平行的方向上发光。

为了完整起见，可能由于某种原因nw没有异质结构。本发明涉及下述装置：在这些装置中，意图是所有nw包含必要的异质结构但包括其中nw可能没有这种异质结构的装置。理想地，所有nw都包含必要的异质结构。

使外延生长的nw为成形材料提供均匀性，这可以增强各种最终性能，例如机械特性、光学特性或电气特性。

外延nw可以由固体，气体或液体前体生长。由于基底用作籽晶，因此所沉积的nw可以呈现与基底的晶格结构和/或取向类似的晶格结构和/或取向。这与沉积多晶或非晶薄膜的一些其他薄膜沉积方法不同，甚至在单晶基底上亦是如此。

iii-v族化合物半导体nw可以包括p型掺杂区域和n型掺杂区域。p型掺杂区域可以与n型掺杂区域直接接触。然而，优选地，p型掺杂区域通过光产生区域与n型掺杂区域分离。应当理解的是，p型掺杂区域、光产生区域和n型掺杂区域的布置可以形成双异质结构或多个异质结构。p型掺杂区域和n型掺杂区域可以布置成将载流子注入到光产生区域中。在向p型掺杂区域和n型掺杂区域施加电场和/或电流时可以发生载流子注入。应当理解的是，石墨基底可以用于向p型掺杂区域和/或n型掺杂区域提供电流。

在其中光产生区域包括本征区域的实施方式中，p型掺杂区域、本征区域和n型掺杂区域的布置可以形成所谓的p-i-n结构。

还应当理解的是，光产生区域可以布置成形成nw激光器/led的有源区域(即增益介质)。

iii-v族化合物半导体nw可以附加地或替代性地包括一个或更多个电子空穴阻挡层。电子阻挡层可以邻近光产生区域布置。优选地，一个或更多个电子阻挡层可以布置在p型掺杂区域中。附加地或替代性地，一个或更多个电子阻挡层可以布置在n型掺杂区域中。优选地，p型区域域中的电子阻挡层布置成基本上阻挡来自光产生区域的电子泄漏——例如p型区域中的电子阻挡层可以阻挡来自光产生区域的导带的电子泄漏，并且n型区域中的电子阻挡层可以阻挡来自光产生区域的价带的空穴泄漏。

该装置可以可选地具有布置在iii-v族化合物半导体nw的顶部上的第二光反射器件。第二光反射器件可以是dbr或金属层。可选地，第二光反射器件可以与上述第一光反射器件相同。然而，优选地，第二光反射器件可以具有比第一光反射器件低的反射率。优选地，第二发光装置布置成将从nw出射的光反馈回nw。

可以理解的是，在第一光反射器件与第二光反射器件之间布置nw限定了光学谐振器(即用于使光循环的光学腔)。优选地，第一光反射器件和第二光反射器件布置成向nw提供光学反馈，并且优选地提供到光产生区域中。例如，第一光反射器件可以布置成将来自nw的入射光反射回nw。第二光反射器件可以布置成将来自nw的入射光反射回nw。来自第一光反射器件的反射光可以朝向第二光反射器件行进——反之亦然。因此，第一发光器件和第二发光器件可以布置成将光反射到nw中，以使从nw出射的光循环。优选地，第一发光器件和第二发光器件将光反射到光产生区域中，以使从光产生区域出射的光循环。

现在更详细地描述本发明的装置的每个部分。所提出的nw/石墨烯混合激光/led结构的优点是：

1.灵活的功能。量子异质结构(即比如量子阱/点的低维度结构)与被认为具有二维(2d)各向异性几何结构的装置(例如，脊状/肋状激光器)相比可以被更好地控制并且在nw中沿径向方向和轴向方向结合。以这种方式，具有量子异质结构的nw能够增加其相应的增益介质(即光产生区域)中的增益。

2.紧凑的设计。每个nw均是结合有增益介质的其自身的激光腔。

3.光子晶体(pc)的产生-效果。例如，nw可以排列成阵列，其中间距为来自nw的发射波长的量级。通过调节阵列参数(例如，间距)以符合特定的衍射条件，nw阵列可以用作pc以增强激光发射性能。

4.外延基底和电流注入器。由于其高电导率和热导率，因此石墨烯既可以用作nw生长的外延基底又可以用作有效的电流注入器。

5.本发明使nw(例如，nw阵列)能够布置(例如，制造)在任何dbr(甚至是在玻璃上制造的绝缘氧化物dbr)或金属镜上。

6.透明接触。由于石墨烯对所有波长都是透明的，因此石墨烯能够实现从ir至深uv的高透光，从而使来自基底侧的镜的吸收损失最小化。

用于纳米线生长的基底

用于生长nw的基底是石墨基底，更特别地，是石墨烯。

如本文所用，术语石墨烯是指sp2键合的碳原子的平面片，sp2键合的碳原子密集地填充在蜂窝(六边形)晶格中。该石墨基底的厚度应当优选地不超过20nm。理想地，该石墨基底应当包含不超过10层的石墨烯或其衍生物，优选地不超过5层(称为几层石墨烯)。特别优选地，石墨基底是石墨烯的单原子厚平面片。

石墨的结晶或“薄片”形式由堆叠在一起的许多石墨烯片(即多于10片)组成。因此，石墨基底是指由一个或多个石墨烯片形成的基底。

如果基底通常厚度为20nm或更小，则是优选的。石墨烯片堆叠以形成石墨，其中晶面间距为0.335nm。石墨基底优选地仅包括几个这样的层，并且理想地可以小于10nm的厚度。甚至更优选地，石墨基底的厚度可以为5nm或更小。基底的面积通常不受限制。这可能多达0.5mm²或更多，例如高达5mm²或更多比如高达10cm²。因此，基底的面积仅受实用性的限制。

替代性地，可以通过使用化学气相沉积(cvd)方法在ni膜或cu箔上生长石墨基底。基底可以是在由例如cu、ni或pt制成的金属膜或箔上的cvd生长的石墨烯基底。

这些cvd生长的石墨层可以通过蚀刻或电化学分层方法从金属箔如ni膜或cu膜上化学剥离。然后将剥离之后的石墨层转移并沉积到支撑载体上以进行nw生长。在剥离和转移期间，可以使用电子束抗蚀剂或光致抗蚀剂来支撑薄石墨烯层。这些支撑材料可以在沉积之后通过丙酮容易地去除。

在一些情况下，石墨烯玻璃可以优选地作为基底(和透明间隔层)。石墨烯玻璃是通过使用cvd在玻璃基底上直接形成石墨烯而制成的。使用石墨烯玻璃绕过繁琐且具有破坏性的转移程序。通过直接在玻璃上生长石墨烯，我们避免了石墨烯在金属箔上生长并且然后转移到玻璃上的过程。

虽然优选的是使用石墨基底而不进行改性，但是可以对石墨基底的表面进行改性。例如，可以使用氢、氧、氮、no2或其组合的等离子体对石墨基底进行处理。基底的氧化可以增强nw成核。也可以优选地对基底进行预处理，例如以确保在nw生长之前的纯度。用强酸比如hf或boe进行处理是一种选择。可以用异丙醇、丙酮或n-甲基-2-吡咯烷酮对基底进行清洗以消除表面杂质。

可以通过掺杂对清洁的石墨表面进行进一步改性。掺杂原子或分子可以用作种植nw的种子。fecl3、aucl3或gacl3的溶液可以用于掺杂步骤中。

石墨层、更优选地石墨烯因其优异的光学特性、电学特性、热学特性和机械特性而众所周知。它们非常薄，但是非常坚固、轻便、柔韧且不可渗透。最重要的是，在本发明中，它们具有高导电性和导热性并且是透明的。与现在商业上使用的诸如ito、zno/ag/zno、al掺杂zno和tio2/ag/tio2之类的其他透明导体相比，石墨烯已经被证明更加透明(例如在200nm至400nm的uv光谱范围内甚至>92％的透射率)和导电(针对1nm厚度的<1000ohm□^-1片电阻)。

支撑石墨基底

可能需要支撑石墨基底以允许其上的nw生长。同样重要的是，该装置包含至少一个dbr或金属镜，以对在装置中产生的光(例如，激光)进行反射。因此，在使用中，必须有一个布拉格反射器或金属镜通常与生长的nw相对的表面上的石墨基底相邻并平行。由于石墨层是高度透明的，因此dbr或金属镜仍然可以在没有太多反射损失的情况下执行其功能。

邻近石墨层的装置的基部的dbr或金属镜通常设计成完全反射光，例如基本上100％的光反射器。

dbr或金属镜也优选地以平行于石墨烯层但是通过nw与石墨烯层分离的方式在装置的顶部使用。该反射器不能是100％的反射器，这是因为一些光以激光的形式从装置的顶部发射。应当理解的是，可以切换dbr或金属镜，使得光沿任一方向(但平行于nw)发射。

因此，如果dbr或金属镜可以方便地耐受nw生长的条件，则dbr或金属镜可以在生长期间用作石墨基底的支撑物。替代性地，nw首先在支撑的石墨烯上生长，并且然后石墨烯/nw从支撑物上分层并且随后被放置在dbr/金属镜上。

在另一实施方式中，在dbr与石墨基底之间可以存在透明间隔层(例如，玻璃或熔融二氧化硅)，以用于调节腔长度或者调节石墨层/间隔层/dbr堆叠的反射率。因此，透明间隔层可以用作石墨烯的支撑物。如果存在透明间隔层，则dbr与石墨层之间不存在电接触。在那种情况下，通常采用电介质dbr并且使用石墨层作为电流注入器。

优选的间隔层的示例包括熔融二氧化硅、熔融石英、熔融氧化铝、蓝宝石、si、sic、gaas、gan或aln的透明层。本领域技术人员将理解的是，间隔层的选择及其厚度可以根据由装置发射的光的波长和间隔层的功能而变化。一些层对于一个波长的光可以是透明的而对其他波长的光则是不透明的。例如，gaas对ir激光是透明的。优选地使用石墨烯玻璃，其中，石墨烯玻璃提供石墨基底和间隔层两者。

然而，优选地，支撑物还含有dbr。使用透明支撑物的另一优点是其增加了腔的尺寸。以这种方式增加腔的尺寸可以用于改变腔内的纵向模式间距。如果支撑物不含有反射层，则支撑物可以设置有反射层，以产生例如反射层、支撑层、石墨层的三层基础结构。在该实施方式中，支撑层需要是惰性地和透明的。支撑物也可以在序列支撑物/镜/石墨层中，在这种情况下支撑物可以不是透明的。

此处使用的术语透明用以表示支撑物允许光特别是激光的传输。

理论上，一旦nw生长就可以去除支撑物(例如通过蚀刻)，或者可以将携带nw的石墨基底从支撑物上剥离。因此，在受支撑的石墨层上生长nw是在本发明的范围内，通过将石墨基底与nw剥离并且放置在布拉格反射器或金属镜上以制备本发明的装置。

纳米线

为了制备具有商业重要性的nw，优选的是这些nw在基底上外延生长。如果生长垂直于基底发生并且理想地因此在[0001](对于六方晶体结构)方向或在[111]方向(如果是立方晶体结构)上也是理想的。

本发明人已经确定，通过确定半导体nw中的原子与石墨烯片中的碳原子之间可能的晶格匹配，可以在石墨基底上进行外延生长。

石墨烯层中的碳-碳键长度为约0.142nm。石墨具有六方晶体几何形状。本发明人先前已经认识到，石墨可以提供其上可以生长半导体nw的基底，这是因为生长的nw材料与石墨基底之间的晶格失配可以非常低。

发明人已经认识到，由于石墨基底的六边形对称性和在[111]方向上生长的具有立方晶体结构的纳米线的(111)平面中的半导体原子的六边形对称性(或者在[0001]方向上生长的具有六方形晶体结构的纳米线的(0001)平面中)，可以在生长的纳米线与基底之间实现晶格匹配。这里对科学的全面解释可以在wo2013/104723中找到。

不希望受理论限制，由于石墨层中碳原子的六边形对称性、以及在[111]方向上生长的具有立方晶体结构的nw的(111)平面中的原子的六边形对称性(或者在[0001]晶体方向上生长的具有六边形晶体结构的nw的(0001)平面中)，当半导体原子理想地以六边形图案放置在石墨基底的碳原子上方时，可以实现石墨基底与半导体之间的紧密晶格匹配。这是新的令人惊讶的发现并且可以使nw在石墨基底上外延生长。

如wo2013/104723中所描述的半导体原子的不同六边形布置可以使这种材料的半导体nw竖向生长，以在薄的碳基石墨材料的顶部上形成独立的nw。

虽然，理想的是在生长的nw与基底之间不存在晶格失配，但是例如，nw可以容纳比薄膜更多的晶格失配。本发明的nw可以与基底具有高达约10％的晶格失配，并且仍然可以进行外延生长。理想地，晶格失配应当为7.5％或更小，例如5％或更小。

对于如同六边形gan六边形aln的一些半导体，晶格失配非常小(<～2％)，以至于可以预期这些半导体nw的优异生长。

nw的增长可以通过通量比来控制。在本发明中生长的nw的长度可以从250nm至几微米，例如高达10微米。优选地，nw的长度至少为1微米。在生长多个nw的情况下，如果多个nw都满足这些尺寸要求则是优选的。理想地，在基底上生长的至少90％的nw的长度至少为1微米。优选地，基本上所有的nw的长度至少为1微米。

nw的长度很重要。理想地，这些生长使得nw的长度等于由激光装置发射的光的nw内部波长的半整数倍。nw也可以生长成使得每个nw的光学腔的长度等于nw要发射的光的波长的倍数。可以考虑可以提供的任何间隔层的厚度以提供所需长度的光学腔。

此外，生长的nw具有相同的尺寸例如彼此在10％之内将是优选的。因此，基底上至少90％(优选基本上全部)的nw优选地具有相同的直径和/或相同的长度(即，彼此的直径/长度的10％以内)。因此，本质上，本领域技术人员正在寻找在尺寸方面基本相同的均匀性和nw。

nw的长度通常由生长过程运行的时间长度控制。较长的过程通常会导致(更)长的nw。

nw通常具有六边形横截面形状。nw的横截面直径可以为25nm至几百nm(即，其厚度)，例如300nm。如上所述，在大部分nw中，直径理想地是恒定的。nw直径可以通过操纵用于制造nw的原子的比例来控制，如下面进一步描述的。

此外，nw的长度和直径可能受nw形成时的温度的影响。较高的温度促进高纵横比(即，较长和/或较薄的nw)。还可以通过对掩模层的纳米孔开口尺寸进行操纵来控制直径。本领域技术人员能够操纵生长过程以设计所需尺寸的nw。

本发明的nw由至少一种iii-v族化合物半导体形成。优选地，nw由如下所述生长的iii-v族化合物组成，以在每个nw中产生光产生区域。优选地，光产生区域各自包括异质结构。存在多于一种不同的iii-v族化合物，但是如果存在的所有化合物都是iii-v族化合物则是优选的。

iii族元素选项是b、al、ga、in和tl。这里的优选选项是ga、al和in。

v族选项是n、p、as、sb。所有都是优选的，尤其是n。

当然可以使用来自iii族的多于一种元素和/或来自v族的多于一种元素。用于nw制造的优选化合物包括alas、gasb、gap、gan、aln、algan、ingan、algainn、gaas、gaassb、inp、inn、ingaas、insb、inas或algaas。最优选的是，基于al、ga和in的化合物与n的组合。使用gan、algan、ingan、alingan或aln是非常优选的。

最优选的是，nw由ga、al、in和n(以及如下所述的任何掺杂原子)组成。

虽然可以使用二元材料，但是这里优选使用其中存在具有v族阴离子的两个iii族阳离子的三元nw，比如algan。因此，三元化合物可以具有式xyz，其中，x是iii族元素，y是不同于x的iii族元素，以及z是v族元素。xyz中的x与y摩尔比优选地为0.1至0.9，即，该式优选地为xxy1-xz，其中，下标x为0.1至0.9。

也可以使用四元系统，并且可以用公式axb1-xcyd1-y表示，其中，a和b是不同的iii族元素，c和d是不同的v族元素。再次，下标x和y通常为0.1至0.9。其他选择对本领域技术人员而言是清楚的。

gaas、ingan、algan和alingannw的生长是特别优选的。包含这些nw的装置发出的光的波长可以通过对al、in和ga的含量进行控制来定制。替代性地，可以改变nw的间距和/或直径以改变发射的光的性质。

掺杂

本发明的nw包括光产生区域(即，增益介质)。每种增益介质均可以用于产生光。当nw布置成阵列时，nw可以光学耦合以产生光。因此，nw理想地需要包括至少一个异质结构，比如至少一个较低带隙部分/插入物、量子阱、量子点或超晶格。如果p-i-n结的本征区域包括至少一个量子阱、量子点或超晶格则是非常优选的。因此，本发明的装置优选地在p型半导体区域与n型半导体区域之间设置有未掺杂的本征半导体区域。

可以光学泵浦或电泵浦nw以在光产生区域内激发/注入载流子。

在光学泵浦装置中，本征区域可以包括异质结构的有源增益介质。增益介质通常可以包含10个或更多个，比如20个或更多个周期的异质结构的有源增益介质，例如，每个区段的厚度为100nm。在有源增益介质生长之后，可以添加钝化层(例如，壳层)以钝化光产生区域和/或每个异质结构的表面以增强光产生。

应当理解的是，光学泵浦装置不需要包括掺杂——例如掺杂不需要包括n型掺杂区域和p型掺杂区域。

在电泵浦装置中，提供n型掺杂区域和p型掺杂区域使得载流子(即电子和/或空穴)能够更有效地注入光产生区域(例如，可以包括量子异质结构的本征区域)中。如前所述，光产生区域内的注入载流子和/或激发载流子可以重新组合(例如，电子-空穴对可以重新组合)以产生光。由于在量子异质结构中发现的量子载流子限制效应，量子异质结构表现出比诸如块状固有材料的块状材料更有效的载流子复合。块状材料通常被认为具有连续的能级。相反，量子异质结构通常具有至少一个离散能态。

掺杂通常涉及例如在mbe或movpe生长期间将杂质离子引入nw中。掺杂水平可以控制在10¹⁵/cm³至10²⁰/cm³。可以掺杂nw以根据需要提供p型掺杂区域和/或n型掺杂区域。掺杂半导体是外在导体。

通过用供体(受体)杂质掺杂固有半导体，n(p)型半导体/区域具有比空穴(电子)浓度更大的电子(空穴)浓度。用于iii-v化合物的合适供体(受体)可以是si(mg、be或zn)。掺杂剂可以在生长过程期间引入，或者在nw形成之后通过离子注入引入。

为了在nw内产生量子点、量子阱或超晶格结构，通常需要在nw体内形成非常薄的半导体层，其尺寸通常仅为几纳米。这些层很薄，使得其光学特性和电子特性不同于较厚层的光学特性和电子特性。

因此，在存在量子异质结构的情况下，本发明的nw不是由单一iii-v族材料形成。本发明的nw是异质结构的，并且因此包含至少两种不同的半导体化合物。通过将次级iii-v族半导体的薄层插入nw的块状材料合成物(其优选地具有比量子异质结构的低带隙区域更高的带隙)中，我们可以创建具有量子异质结构的nw以产生光。

为了提供量子限制，量子异质结构的低带隙区域(例如，层)通常需要具有德布罗意波长量级的尺寸，如前所述。例如，可以生长量子阱异质结构的低带隙层以具有几nm厚度(例如1nm至20nm)的厚度，使得低带隙层中的能级变得量子化。量子阱仅在一个空间维度上具有量子限制，而量子点在所有三个空间维度上具有量子限制。超晶格(即，半导体超晶格)是量子限制结构(量子阱或量子点)的周期性结构，其中，垒层足够薄(通常为几纳米)，以允许通过隧道输送的载流子传输发生在量子阱/量子点之间。短周期超晶格也可以应用于带隙定制目的，从而通过增大(减小)沿生长方向的阻挡层厚度并且减小(增大)沿生长方向的阱层厚度来对带隙进行分级，以增大(减小)由电荷载体所经历的带隙。这种分级超晶格可以是例如在掺杂区域中的较低带隙材料部分与较高带隙材料部分之间使用，以改善两种不同带隙材料之间的多数载流子传输特性。

可以使用薄gaassb层作为低带隙区域并且使用gaas层作为高带隙区域来形成量子点(因此，在这种情况下，gaas层用作阻挡区域)。本发明的nw可以生长成具有径向或轴向的异质结构形式。例如，对于轴向异质结构的nw，可以通过首先生长p型掺杂核来轴向地形成p-n结，并且然后继续使用n型掺杂核(或反之亦然)。对于p-i-nnw而言，可以在掺杂核之间定位本征区域。通过对在生长过程期间进给的元素进行改变，可以将异质结构或量子异质结构引入本征区域中。对于径向异质结构nw，可以通过首先生长p型掺杂的nw核，并且然后生长本征壳，并且然后生长n型掺杂的半导体壳来径向形成p-i-n结(或反之亦然)。通过改变在生长过程期间进给的元素可以将量子异质结构引入本征区域中。

在p-i-nnw中，当电荷载流子注入相应的p区域和n区域时，电荷载流子在i区域重新组合，并且这种重新组合产生光，如前所述。

在用于提供uv光(例如，激光)的优选实施方式中，nw可以包括p-i-n结构。i区域可以由alxga1-xn/alyga1-yn(x>y)多量子阱/量子点或超晶格结构组成。p区域可以包括/包含电子阻挡层(导带中的单个或多个垒)以防止少数载流子(电子)溢出到p区域中。n区域可以包括/包含空穴阻挡层(价带中的单个或多个垒)，以防止少数载流子(空穴)溢出到n区域中。

因此，如果nw设置有量子异质结构(例如，多量子阱/量子点/超晶格)，则是优选的实施方式。因此，如果nw设置有电子阻挡层或/和空穴阻挡层，则是优选的实施方式。

生长

本发明的nw优选地外延生长。本发明的nw通过共价、离子或准范德华键合附接至下层基底。因此，在基底与nw的基部的连结处，在nw内外延地形成晶体平面。晶体平面在相同的结晶方向上一个接一个地堆积，从而允许nw外延生长。优选地，nw竖向生长。这里的术语竖向用于暗示nw垂直于基底生长。应当理解的是，在实验科学中，生长角可能不是精确的90°，而术语竖向意味着nw在竖向/垂直的约10°内，例如在竖向/垂直的5°内。由于通过共价、离子或准范德华键合的外延生长，预期nw与石墨基底之间将存在紧密接触。为了进一步增强接触性能，可以掺杂石墨基底以匹配生长的nw的主要载流子。

由于nw外延生长涉及在高温下与基底的物理和化学键合，因此底部接触优选是欧姆的。

将理解的是，基底包括一个或更多个nw，但优选地为多个nw。优选地，nw大致彼此平行地生长。因此，优选地为至少90％、例如至少95％、优选地基本上所有的nw在相同的方向上从基底的同一平面生长。

理想地，生长的nw是大致平行的。优选地，nw大致垂直于基底生长。

对于分别具有六边形晶体结构或立方晶体结构的nw，本发明的nw应当优选地在[0001]方向或[111]方向上生长。如果nw具有六边形(立方)晶体结构，则nw与石墨基底之间的(0001)[111]界面表示发生轴向生长的表面。nw优选地通过mbe或movpe生长。在mbe方法中，为基底提供每种反应物的分子束，例如优选地同时提供iii族元素和v族元素。通过使用迁移增强外延(mee)或原子层mbe(almbe)，mbe技术可以实现对nw在石墨基底上的成核和生长的更高程度的控制，其中例如可以交替地提供iii族元素和v族元素。

在氮化物的情况下的优选技术是等离子体辅助的固体源mbe，其中，非常纯的元素比如镓、铝和铟在分开的渗出室中被加热，直到它们开始缓慢蒸发为止。射频等离子体氮源通常用于产生氮原子的低能束。

然后，气态元素在基底上冷凝，在基底中，气态元素可以相互反应。在镓和氮的示例中，形成单晶gan。术语“束”的使用意味着来自等离子体源的蒸发原子(例如，镓)和氮原子彼此不相互作用或者不与真空室气体相互作用，直到它们到达基底为止。

mbe在超高真空中进行，其中，背景压力通常为10^-10托至10^-9托(torr)。这允许nw外延生长并且使结构性能最大化。

发射的光的性质是nw的有源区中的量子异质结构的尺寸和几何形状的函数。为了调整nw中的量子异质结构中的各种带隙，可以使用温度和通量。(《纳米技术25》(2014)455201)。

在movpe方法中，将基底保持在反应器中，在该反应器中，基底设置有每种反应物的载运气体和金属有机气体，例如包含iii族元素的金属有机前体和包含v族元素的金属有机前体。典型的载运气体是氢气、氮气或两者的混合物。通过使用脉冲层生长技术，movpe技术可以实现对石墨基底上nw的成核和生长的更高程度的控制，其中，例如可以交替地提供iii族元素和v族元素。

纳米线的定位增长

本发明的nw优选地生长定位。该方法可能需要具有沉积在石墨层上的纳米孔图案的掩模。

为了制备更加规则的nw阵列，其具有生长的nw的更好的高度和直径的均匀性，发明人设想在基底上使用掩模。该掩模可以设置有规则的孔，其中nw可以在基底上以规则的阵列大小均匀地生长。掩模中的孔图案可以很容易地使用常规的光电/电子束光刻或纳米压印制造。也可以使用聚焦离子束技术以在石墨表面上产生规则的成核位点阵列用于nw生长。

因此，可以将掩模可选地以规则图案施加至基底并且蚀刻出孔以露出基底表面。此外，可以小心地控制孔的尺寸和间距。通过规则地布置孔，可以生长规则的nw图案。

此外，可以控制孔的尺寸以确保每个孔中仅能生长一个nw。最后，孔可以被制成为其中的孔足够大以允许nw生长的尺寸。以这种方式，可以生长规则的nw阵列。

通过改变孔的尺寸，可以控制nw的尺寸。重要的是，孔被适当地间隔开。如果孔和因此生长的nw间隔小于由激光器发射的光的波长，那么nw阵列可以用作光子晶体(pc)。75至150乘75至150nw的阵列，例如100x100nw是可能的尺寸。应当指出的是，这些数字可以根据装置的设计而大量变化。

掩模材料可以是在沉积时不会损坏下面的基底的任何材料。掩模对激光也可以是透明的。最小孔尺寸可以是50nm、优选地至少100nm-200nm。掩模的厚度可以是10nm至100nm，比如10nm至40nm。

掩模本身可以由惰性化合物比如二氧化硅或氮化硅制成。特别地，孔图案化掩模包括通过电子束蒸发、cvd、等离子体增强cvd(pe-cvd)、溅射或原子层沉积(ald)沉积的至少一种绝缘材料，比如sio2、s13n4、hfo2、tio2或al2o3。因此，可以通过任何方便的技术比如通过电子束沉积、cvd、pe-cvd、溅射和ald而在基底表面上提供掩模。

在nw生长之前使用氮化/氧化的ti掩模是特别优选的，这时因为已经发现这种掩模允许均匀nw的生长(例如参见《j.晶格生长311》(2009)2063-68)。

使用孔图案掩模的定位生长在预定位置处产生均匀长度和直径的nw。nw也可以在没有具有纳米孔图案的掩模的情况下生长。在这种情况下，nw将具有不均匀的尺寸(长度和直径)并且位于随机位置。在一个实施方式中，优选的是，不使用掩模来生长本发明的nw。此外，本发明人已经发现，在没有掩模的情况下可以使nw密度最大化。每平方微米至少20nw的nw密度比如每平方微米至少25nw是可能的。这些非常高的nw密度特别与gan、ingan或algannw相关联。

对于nw生长，然后可以将石墨基底温度设定为适合于所论述的nw生长的温度。生长温度可以在300℃至1200℃的范围内。然而，所用的温度特定于nw中的材料性质和生长方法。对于通过mbe生长的gan，优选温度为700℃至950℃、例如750℃至900℃、比如760℃。对于algan，该范围略高，例如800℃至1100℃、比如830℃至950℃、例如840℃。

因此，可以理解的是，nw可以包括nw内的不同的iii-v族半导体，例如从gan杆开始，接着是algan成分或algainn成分等。

mbe中gannw的生长可以通过打开ga渗出单元格、氮气等离子单元格和掺杂单元格的快门同时启动掺杂gannw的生长而被启动，故称为杆。gan杆的长度可以保持在5nm至几百纳米之间。随后，如果需要，可以增加基底温度，并且打开al快门以启动algannw的生长。人们可以在石墨层上启动algannw的生长而没有gan杆的生长，可以通过在nw生长期间分别打开n型掺杂剂单元格的快门和p型掺杂剂单元格的快门而获得n型掺杂的nw和p型掺杂的nw。例如，用于n型掺杂的nw的si掺杂剂单元格和用于p型掺杂的nw的mg掺杂剂单元格。

该过程可以适于具有合适掺杂的其他iii-v族nw的生长。

渗出细胞的温度可以用于控制生长速率。在常规平面(逐层)生长期间测量的方便生长速率为每小时0.05μm至2μm，例如每小时0.5μm。分子束的压力也可以根据正在生长的nw的性质进行调节。光束等效压力的合适水平在1×10^-7托至1×10^-4托之间。

反应物(例如iii族原子和v族分子)之间的束通量比可以变化，优选的通量比取决于其他生长参数和正在生长的nw的性质。在氮化物的情况下，iii-氮化物nw总是在富氮条件下生长。

因此，本发明的实施方式是采用多步生长方法比如两步生长方法，例如以单独地优化nw成核和nw生长。

mbe的显著益处是可以例如通过使用反射高能电子衍射(rheed)来原位分析生长的nw。rheed是一种通常用于表征结晶材料的表面的技术。在通过诸如movpe的其他技术形成nw的情况下，该技术不能如此容易地应用。

movpe的显著益处是nw可以以更快的生长速率生长。该方法有利于径向异质结构nw和微丝的生长，例如：具有由本征aln/al(in)gan多量子阱(mqw)、algan电子阻挡层(ebl)和p型掺杂(al)gan壳组成的壳的n型掺杂gan核。该方法还允许使用诸如脉冲生长技术或具有改进的生长参数(例如较低的v/iii摩尔比和较高的基底温度)的连续生长模式的技术来促成轴向异质结构nw的生长。

更详细地，在放置样品之后必须将反应器抽空，并且用n2清洗以除去反应器中的氧和水。这是为了避免在生长温度下对石墨烯的任何损害，并且避免氧和水与前体发生不希望的反应。总压力设定在50托至400托之间。在用n2清洗反应器之后，在h2氛围下在约1200℃的基底温度下对基底进行热清洁。基底温度随后可以设定为适合于所论述的nw生长的温度。生长温度可以在700℃至1200℃的范围内。然而，所用的温度特定于nw中材料的性质。对于gan，优选温度为800℃至1150℃，例如900℃至1100℃、比如1100℃。对于algan，该范围略高，例如900℃至1250℃，比如1050℃至1250℃，例如11250℃。

金属有机前体可以是用于ga的三甲基镓(tmga)或三乙基镓(tega)、用于al的三甲基铝(tma1)或三乙基铝(tea1)、以及用于in的三甲基铟(tmin)或三乙基铟(tein)。掺杂剂的前体可以是si的sih4和mg的双(环戊二烯基)镁(cp2mg)或双(甲基环戊二烯基)镁((mecp)2mg)。tmga、tma1和tmin的流速可以保持在5sccm至100sccm之间。nh3流速可在5sccm至150sccm之间变化。

特别地，简单地使用气体-固体生长可以使nw生长。因此，在mbe的背景下，反应物例如in和n的简单应用，没有任何催化剂的基底可能会导致形成nw。这形成了本发明的另一方面，因此提供了由石墨基底上的上述元素形成的半导体nw的直接生长。因此，术语直接意味着不存在促进生长的催化剂。

所述区域可以由nw内的层或核上的壳来表示以产生nw。因此，本发明进一步提供了在石墨基底上外延生长的多个径向iii-v族nw，其依次包括具有壳的n型掺杂核，壳包括本征多量子阱/量子点/超晶格、电子阻挡层(ebl)和p型掺杂壳。n型掺杂区域可以包括/包含空穴阻挡层(价带中的单个或多个垒)，以防止少数电荷载流子(空穴)溢出到n型掺杂区域中。

分布式布拉格反射器或金属镜

本发明的激光装置包括至少一个、优选为两个的分布式布拉格反射器(dbr)或金属镜。dbr或金属镜限定谐振腔(nw)，并且装置由在一端的高反射dbr镜或金属镜限定，优选地由在nw的另一端的具有较低反射率的dbr或金属镜限定。理想地，较高反射率的dbr或金属镜邻近石墨层定位。

在腔内，nw包括增益介质，其中，电流被注入以产生光——例如具有单个空间激光模式的激光。dbr设计成仅在单个纵向模式下反射。因此，激光器在单个空间和纵向模式下操作。激光器优选地从与高反射dbr或金属镜相对的出射面发射。

通过改变电流或温度，dbr能够在大约2nm范围内调整。

dbr优选地包括具有不同折射率的交替的半导体层。每个层优选地具有材料中激光波长的四分之一的厚度，从而对于dbr产生高于99％的强度反射率。所使用的半导体理想地是iii-v族半导体。通过改变每个层中存在的iii族或v族原子可以实现不同的折射率。

分布式布拉格反射器优选地包括多个半导体层，优选地包括iii-v族半导体层。该半导体dbr必须具有2个不同的iii-v族半导体，例如gaas和alas。

相邻层具有不同的折射率。通常，每个dbr可以包含8层至40层，比如10层至35层。每个层的厚度可以为5nm至200nm，比如厚度为10nm至100nm。层理想地反映了所论述的层的折射率。因此，每个层可以是层的250nm/折射率。由于典型的折射率约为3-4，因此层厚度可以为60nm左右。

用于gaassb激光器的优选的分布式布拉格反射器包括交替的gaas层和al(ga)as层。dbr可以包括定位在两个alas层之间的多个gaas层。分布式布拉格反射器必须反射而不是吸收光，并且因此其带隙应当高于相当于nw中产生的光的波长的带隙。

必须将dbr调整至来自nw的光——例如nw中产生的激光。当光在nw上下反射时，强度被放大。一旦达到激光阈值就释放光的相干发射。每个nw将激发特定波长。

在常见的vcsel中，上dbr和下dbr被掺杂为p型材料和n型材料，从而形成二极管结。如果在这种情况下分布式布拉格反射器是掺杂的，则也是优选的。所使用的掺杂材料可以是上面结合nw所论述的那些掺杂材料。

dbr也可以是电介质。dbr可以包括具有不同折射率的交替的电介质材料层。电介质布拉格对可以是例如tio2(折射率约为2.5)和二氧化硅(折射率约为1.5)。电介质dbr中的其他常见材料是氟化镁、五氧化二钽(n＝2.275)和硫化锌(n＝2.32)。dbr中使用的典型介电材料的熔化温度很高。

作为在装置的底部和/或顶部处的分布式布拉格反射器的替代方案，可以使用金属反射层，例如基于al。vcsel中需要高反射率镜以平衡增益介质的短轴向长度。

这种金属层可以包括铝、金、银、铬或铑。优选地，反射器布置成将从nw出射的光反馈回nw中。

在一个实施方式中，可以在实际nw本身内生长分布式布拉格反射器。

在一个实施方式中，可以蚀刻石墨层和分布式布拉格反射器以在基础结构上产生nw的岛或单个nw。

填料

使用填料来围绕组件是在本发明的范围内的，其中填料可以对发光是透明的。填料可以作为整体存在于nw之间的空间中和/或组件周围的空间中。在nw之间的空间中而不是在组件的空间中可以使用不同的填料。填料可以包括具有比nw的材料更高的带隙的半导体材料。替代性地，填料可以包括聚合物和/或树脂。

装置

本发明的装置可以包含100乘100的nw阵列。密集的nw阵列应当增强装置的功率。可以调整nw阵列间距以用作光子晶体(pc)以增强性能。nw直径理想地设计为限制单个光学模式，优选地基本模式。nw直径可以在uv、ir或可见光谱中发射，尤其是在uv中发射。

vcsel通常具有许多应用，其中最重要的应用在下面简要论述。

由于谐振器往返时间短，vcsel可以在千兆赫兹范围内很好地调制频率。这使vcsel可用作光学通信的发射器。一些vcsel用于激光计算机鼠标中，这是因为作为光源的vcsel可以具有高跟踪精度和低电耗。

另一突出的应用领域是具有波长可调的vcsel的气体感测。vcsel还可以用于微型光学时钟，其中激光束探测铯蒸气中的原子跃迁。这样的时钟可以成为紧凑型gps装置的一部分。

虽然参考竖向腔激光器描述了本发明，但是可以设想相同的装置可以适于用作rcled。如果激励水平低于激光阈值，则装置将充当rcled。在rcled中，在多层法布里-珀罗(fabry-pérot)(fp)谐振器中产生自发发射，其中干涉效应改变内部角功率分布。

在这些装置中，有源层嵌入具有至少一个维度的发射光的波长的量级的腔中。在这种情况下，自发发射过程本身被修改，使得内部发射不再是各向同性的。

附图说明

图1总结了集成的nw/石墨烯/dbr激光器或rcled装置的制造工艺。由于dbr、nw和高反射率nw顶镜之间的相干耦合，将演示基于nw的竖向腔表面发射激光器(vcsel)，其最终目标是实现低阈值电流和高发光效率。也可以通过调整nw之间的nw直径和间距尺寸来开发表面发射pc特性。dbr可以由mbe(例如gaas/alas)生长的多层薄膜制成，其中，晶体取向通常为(100)。另一类型的dbr可以用绝缘层制造。然而，这种具有(100)晶体取向的薄膜或者绝缘层不可以用于竖向nw生长。可以通过使用石墨烯作为缓冲层来解决该问题。另外，石墨烯由于其高导电性和透明性而可以用作载流子注入层。

在图1(a)中，提供dbr，在dbr上放置石墨烯层(图b)。随后可以施加并蚀刻掩模层以形成用于定位nw生长的孔(图c)。

在孔中生长nw，使得首先形成n型掺杂区域，接着是i型掺杂区域和p型掺杂区域(图d)。然后可以施加顶部反射层比如al金属层(即，金属镜)。本征区域可以包括一系列量子异质结构(例如量子阱/量子点或超晶格)。

可选地，可以蚀刻石墨烯层和布拉格反射器以产生单独的nw激光器(f)。

电泵浦nw激光器和光学泵浦nw激光器两者都设计有较低和较高带隙材料的轴向异质结构(图2a、图2b))或径向异质结构(图2(c))，以增强激光的增益。将使用自催化蒸汽-液体-固体的方法在石墨烯上生长基于gaas的nw激光器，例如具有ingaas插入物/阱或gaassb插入物/阱的gaas，并且将使用无催化剂的方法用于生长基于iii-n的nw激光器在石墨烯上的应用，例如具有gan插入物/阱或ingan插入物/阱的algannw。此外，将通过mbe或mocvd生长高质量的dbr例如具有alas/gaas或aln/ganbragg对，石墨烯(例如单层或双层)将转移到其上以用于nw激光器或rcled的后续生长。

图3描述了单个gaassb/gaas异质结构nw激光器的结构和激光光谱。nw激光器由gaassb和gaas的周期性区段组成。通过光学泵浦，nw在近ir中发射并且产生干涉图案，如图3(b)所示。通过调整成分和结构，gaassb/gaas异质结构nw激光器可以激光覆盖宽范围的波长，如图3(c)所示。

在图4(a)中，底部dbr或金属镜提供有透明中间层比如二氧化硅层，在其顶部定位有石墨烯层。这种布置允许在石墨烯上的nw的进一步外延生长(在高温下)期间调整例如gaas/al(ga)asdbr的反射率和/或保护(加盖)。

在图4(b)中，dbr位于nw的顶部，具有透明的二氧化硅例如熔融二氧化硅，支撑物或其他透明支撑物用于承载石墨烯层。可选地，石墨烯玻璃可以用作组合的基底和支撑物。

图4(c)示出了图4(a)中显示的结构的替代性选择，其中石墨烯和透明中间层由石墨烯玻璃代替，石墨烯玻璃也可在nw生长期间提供支撑。在nw生长之后可以提供底部dbr或金属镜。

在图4(d)中，玻璃支撑dbr。

图5(a)表示了生长的nw/石墨烯/dbr结构的示意图。在nw生长之前，剥落的石墨烯薄片放置在dbr反射器的顶部，如图5(b)的光学图像中所描绘的。图5(c)示出了在微小的石墨烯薄片上垂直外延生长的7μm长的基于gaassb的超晶格nw的30°倾斜sem图像，该微小的石墨烯薄片以红色圈出并在图5(b)中标记为c。测得的gaas/alasdbr结构的归一化反射率如图5(d)中的蓝色曲线所示，其包含在890nm至990nm附近的高反射率平台和在平台外的反射边缘。通过施加光激发，从具有法布里-珀罗模式的基于gaassb的超晶格nw观察到光致发光，其由竖向的红色虚线标记。法布里-珀罗模式之中的间距为约11.6nm，这对应于在约950nm处的δe＝16mev的能量间隔。这与使用基于fdtd模拟的计算中发现的使用ngroups＝5.35的预期te01模式的16.7mev的理论值很好地相关。

nw在[111]晶体方向上生长并且垂直于石墨表面，然而gaas/alasdbr(薄膜)在[001]晶体方向上在n型gaas(oo1)晶片上生长。

示例1

石墨烯/dbr上的电泵浦aln/algan/gan轴向异质结构nw激光器(rcled)：

具有aln/algan轴向量子异质结构有源增益介质的基于gan的nw在具有石墨烯缓冲的电介质dbr(例如，具有sio2(n＝1.5)和tio2(n＝2.5)布拉格对的dbr)上生长。重度n掺杂的gannw区段直接在石墨烯/dbr结构上外延生长，随后生长重度n掺杂的aln区域段、5个周期的本征aln/algan量子异质结构有源增益介质、以及p掺杂的a1n段。在那以后，生长p掺杂的gan顶部区段用于顶部相接触。

示例2

在石墨烯/dbr上光学泵浦gaassb/gaas轴向异质结构nw激光器：

使用石墨烯缓冲在gaas/alasdbr上生长具有gaassb/gaas轴向量子异质结构有源增益介质的本征gaas。在使用alassb缓冲作为成核杆的成核之后，在石墨烯/dbr结构上直接外延生长gaasnw，随后生长60个周期的本征gaassb/gaas量子异质结构的有源增益介质，其中每个区段的厚度为100nm。在有源增益介质生长之后，生长厚度为15nm的algaas壳用以钝化表面以增强光性能。

示例3

nw/石墨烯/dbrrcled

在nw生长之前，剥落的石墨烯薄片放置在gaas/alasdbr反射器的顶部。gaas/alasdbr(薄膜)在[001]晶体方向上在n型gaas(001)晶片上生长。测量的gaas/alasdbr结构的归一化反射率如图5(d)所示。它包含890nm至990nm左右的高反射率平台和高原外的反射边缘。

7μm长的基于gaassb的超晶格nw在[111]晶体方向在石墨烯/dbr结构上垂直地外延地生长。

通过施加光激发，从具有法布里-珀罗模式的基于gaassb的超晶格nw观察到光致发光，其由竖向的红色虚线标记。法布里-珀罗模式之间的间隔约为11.6nm，这对应于在约950nm处的δe＝16mev的能量间隔。这与使用基于fdtd模拟的计算中发现的使用ngroup＝5.35的预期te01模式的16.7mev的理论值很好地相关。