一种近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器及其制备方法

本发明属于激光，具体涉及一种近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器及其制备方法。

背景技术：

1、半导体纳米线具有独特的几何形状，可以同时作为增益介质和光学腔实现纳米级激光，并且因其体积小，阈值低，成本效益高等优点，纳米线激光器有望在光学互连、医学诊断和超分辨率成像等领域发挥重要作用。特别是在电信波段的纳米线激光可以用作光子集成电路的片上相干光源，有望推动光通信和计算的下一代技术创新。

2、然而，现有的纳米线激光器大多是通过将纳米线放置在水平方向上，从生长衬底向低折射率衬底的机械转移来证明的。在转移过程中，纳米线底部切面由于随机构造断裂而出现不均匀或不光滑，而且纳米线的位置无法精确控制和对准，往往导致激光阈值的增加和不可再现的激光波长，使得实现大规模高密度集成具有挑战性。

3、利用选择性面积外延技术(sae)，可以很好地设计和控制在不同衬底上的纳米线形态和位置，利用sae技术尽管对砷化镓纳米线的形貌可以很好地调控，但其晶体中存在大量孪晶、平面缺陷等缺陷，导致非辐射复合中心和光学性能退化。为了在电信窗口内调谐激光峰值，基于铟镓砷的量子结构(如量子阱)通常嵌入在磷化铟纳米线中。为了保证足够的光学增益，同轴/核壳的磷化铟/铟镓砷纳多重量子阱纳米线在多量子阱纳米线外延过程中通过增强径向量子阱的横向生长来获得较大的增益体积。但从纯磷化铟基生长的多量子阱纳米线在横向生长过程中容易发生晶格畸变，导致形态不规则，如六边形和三角形棱镜之间的形貌转变。这导致纳米线腔的约束因子非常低，从而大大增加了激光阈值。另一方面，wz纤锌矿/zb闪锌矿混合相磷化铟基生长的多量子阱纳米线表现出较大的横向生长速率和较慢的轴向生长速率，难以实现光学腔的调控。

4、因此，如何制备出高性能的用于通讯波段的垂直发射的纳米线激光器并实现通讯波段内可调谐激光峰值，实现强载子约束和足够的光学增益，是本领域技术人员有待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器及其制备方法，制备出高性能的用于通讯波段的垂直发射的纳米线激光器并实现通讯波段内可调谐激光峰值，实现强载子约束和足够的光学增益。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提供了一种近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器，包括磷化铟基底，所述磷化铟基底上沉积有二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜上开设有开孔，所述开孔内垂直生长有磷化铟纳米线基柱，所述磷化铟纳米线基柱的外层包裹有多重铟镓砷量子阱，所述多重铟镓砷量子阱的外围包裹有磷化铟层。

4、在具体实施过程中，所述多重铟镓砷量子阱的层数为十层，所述多重铟镓砷量子阱中的每层铟镓砷量子阱的厚度为0.8nm。

5、在具体实施过程中，所述多重铟镓砷量子阱中的磷：镓：砷：铟的分子比为37.6:9.3:15.7:37.4时，所述近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器实现940nm波长垂直发射方向的单模激光。

6、在具体实施过程中，所述多重铟镓砷量子阱中的铟、镓、砷、磷的分子比为in0.85ga0.15as0.4p0.6～in0.94ga0.06as0.2p0.8，对应1350～1550nm波段的可调激光峰值。

7、在具体实施过程中，所述二氧化硅薄膜上的开孔直径为100nm；所述磷化铟纳米线基柱的平均直径为400nm，长度为2μm。

8、本发明还提供了一种根据任意一项所述的近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器的制备方法，包括以下步骤：

9、s1：在磷化铟基底上沉积二氧化硅薄膜，后通过反应离子刻蚀将开孔的阵列图案转移至二氧化硅薄膜上；

10、s2：三甲基铟和磷化氢分别以第一流量和第二流量，在680℃下的生长温度下以及第一v/iii的环境下进行第一次生长，后三甲基铟和磷化氢分别以第三流量和第四流量，在615℃下生长温度下以及第二v/iii的环境下进行第二次生长，完成磷化铟纳米线基柱在二氧化硅薄膜上的生长；

11、s3：三甲基铟、三甲基镓以及砷化氢分别以第五流量、第六流量以及第七流量，在615℃下生长温度下生长，完成一重铟镓砷量子阱的生长；三甲基铟和磷化氢以第八流量以及第九流量，在615℃生长温度下生长，完成一次磷化铟势垒层的生长；重复若干次，完成多重铟镓砷量子阱以及磷化铟势垒层的生长；

12、s4：三甲基铟和磷化氢以第八流量以及第九流量，在615℃生长温度下生长，完成最外层的磷化铟层的生长。

13、在具体实施过程中，所述第一流量为4.20×10-6mol/min，所述第二流量为1.25×10-3mol/min；所述第三流量为1.26×10-6mol/min，所述第四流量为5.31×10-3mol/min；所述第五流量为5.08×10-7mol/min，所述第六流量为2.54×10-6mol/min，所述第七流量为5.31×10-3mol/min，所述第八流量为1.26×10-6mol/min，所述第九流量为5.31×10-3mol/min。

14、在具体实施过程中，所述第一v/iii为297；所述第二v/iii为4214。

15、在具体实施过程中，所述第一次生长的时间为6min，所述第二次生长的时间为9min；

16、所述一重铟镓砷量子阱的生长时间为0.75～1min；

17、所述一次磷化铟势垒层的生长时间为2～3min；

18、所述磷化铟层的生长的时间为1min。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、本发明提供了一种近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器，上述纳米线激光器顶部与底部二氧化硅薄膜之间形成了法布里-珀罗腔，多个薄铟镓砷(ingaas)量子阱使得激光器在室温下具有较低的激光阈值，为受激发射提供了较强的量子约束效应和足够的光学增益，并且通过调整多量子阱的铟镓的组成，首次实现了在940nm至电信o和c波段宽光谱范围内垂直发射方向的单模激光，且具有低阈值和高特征温度。

21、本发明提供了一种近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器的制备方法，采用模板定向选择性区域外延法生长了磷化铟/铟镓砷多重量子阱核壳纳米线阵列，采用精心设计的多步生长策略来控制纳米线的长度和直径，实现了强载流子约束、足够的光学增益和垂直法布里-珀罗腔使得阵列的单个纳米线产生垂直激光。

技术特征：

1.一种近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器，其特征在于，包括磷化铟基底，所述磷化铟基底上沉积有二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜上开设有开孔，所述开孔内垂直生长有磷化铟纳米线基柱，所述磷化铟纳米线基柱的外层包裹有多重铟镓砷量子阱，所述多重铟镓砷量子阱的外围包裹有磷化铟层。

2.根据权利要求1所述的近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器，其特征在于，所述多重铟镓砷量子阱的层数为十层，所述多重铟镓砷量子阱中的每层铟镓砷量子阱的厚度为0.8nm。

3.根据权利要求1或2所述的近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器，其特征在于，所述多重铟镓砷量子阱中的磷：镓：砷：铟的分子比为37.6:9.3:15.7:37.4时，所述近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器实现940nm波长垂直发射方向的单模激光。

4.根据权利要求1或2所述的近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器，其特征在于，所述多重铟镓砷量子阱中的铟、镓、砷、磷的分子比为in0.85ga0.15as0.4p0.6～in0.94ga0.06as0.2p0.8，对应1350～1550nm波段的可调激光峰值。

5.根据权利要求1所述的近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器，其特征在于，所述二氧化硅薄膜上的开孔直径为100nm；所述磷化铟纳米线基柱的平均直径为400nm，长度为2μm。

6.一种根据权利要求1至5任意一项所述的近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器的制备方法，其特征在于，所述第一流量为4.20×10-6mol/min，所述第二流量为1.25×10-3mol/min；所述第三流量为1.26×10-6mol/min，所述第四流量为5.31×10-3mol/min；所述第五流量为5.08×10-7mol/min，所述第六流量为2.54×10-6mol/min，所述第七流量为5.31×10-3mol/min，所述第八流量为1.26×10-6mol/min，所述第九流量为5.31×10-3mol/min。

8.根据权利要求6所述的近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器的制备方法，其特征在于，所述第一v/iii为297；所述第二v/iii为4214。

9.根据权利要求6所述的近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器的制备方法，其特征在于，所述第一次生长的时间为6min，所述第二次生长的时间为9min；

技术总结
本发明公开了一种近红外通讯波段垂直发射纳米线激光器及其制备方法，属于激光技术领域。激光器包括磷化铟基底，所述磷化铟基底上沉积有二氧化硅薄膜，所述二氧化硅薄膜上开设有开孔，所述开孔内垂直生长有磷化铟纳米线基柱，所述磷化铟纳米线基柱的外层包裹有多重铟镓砷量子阱，所述多重铟镓砷量子阱的外围包裹有磷化铟层。制备方法，包括以下步骤：在磷化铟基底上沉积二氧化硅薄膜，将开孔的阵列图案转移至二氧化硅薄膜上；完成磷化铟纳米线基柱在二氧化硅薄膜上的生长；完成多重铟镓砷量子阱以及磷化铟势垒层的生长；完成最外层的磷化铟层的生长。

技术研发人员：张旭涛,刘国龙,赵璧君,庞宁杰,弋瑞轩,于海东,甘雪涛
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4