基于纳米线/量子阱异质结构的近红外纳米激光器研究

Near-infrared nanolasers are promising in short-distance optical communications and chip-to-chip or on-chip optical interconnections. Semiconductor nanowires have an one-dimensional structure and can function as both the gain medium and F-P resonant cavity, which are ideal elements for near-infrared nanolasers. However, due to the structural and functional limitations, homogeneous nanowire lasers will hit their limit. The nanowire/quantum-well heterostructure combines the advantages of nanowire and quantum well, which can compensate the weaknesses of homogeneous nanowires and shows a bright application prospect in low-threshold, multiwavelength nanolasers. The applicant's group has fabricated GaAs/InGaAs nanowire/quantum-well heterostructure and observed the F-P resonant modes for the first time, demonstrating the practicability of the heterostructure acting as near-infrared nanolasers. In this project, we will carry out theoretical and experimental research on nanowire/quantum-well heterostructures based on the previous work, including theoretical research on the distribution of stress and strain, and mode properties; growth of morphology-, size-, and composition-controllable nanowire/quantum-well heterostructures; fabrication of near-infrared nanolasers based on nanowire/quantum-well heterostructures. The research will promote the development of low dimensional semiconductor physics and nano-optoelectronic devices.

近红外纳米激光器在短距离光通信、片间/片上光互连等领域有重要应用前景。半导体纳米线具有一维结构特征，兼具增益介质和F-P谐振腔的功能，是近红外纳米激光器的理想单元。但由于结构和功能的局限性，同质纳米线激光器的进一步发展将遇到瓶颈。纳米线/量子阱异质结构将量子阱与纳米线的优势结合起来，可以弥补同质纳米线的不足，在低阈值、多波长的纳米激光器中有重要应用前景。申请者所在课题组已制备出GaAs/InGaAs纳米线/量子阱异质结构，并首次观察到F-P谐振模式，论证了其作为近红外纳米激光器的可行性。基于已有的工作基础，本项目拟围绕纳米线/量子阱异质结构开展理论和实验研究，包括：理论研究纳米线/量子阱异质结构的应力应变分布规律和模式特性；生长形貌、尺寸、组分可控的纳米线/量子阱异质结构；制备纳米线/量子阱异质结构近红外纳米激光器。上述研究将对低维半导体结构物理创新和纳米光电子器件发展产生积极的推动作用。

本项目围绕纳米线/量子阱异质结构及相关光子器件开展了系统的理论和实验研究工作，在纳米线及相关异质结构的可控生长、新颖纳米线激光器的理论设计、纳米线/量子阱异质结构激光器的研制等等方面取得了重要进展。主要成果包括：1、制备出纯相无位错InP、InAs等III-V族半导体纳米线，以及若干新颖纳米线径向异质结构，包括AlGaAs/GaAs纳米线/量子阱异质结构、InP/InAs纳米线/量子点复合结构、GaAs/InAs纳米线/孤立量子点复合结构等。2、设计并仿真了若干新颖纳米线激光器结构，包括：设计出一种非对称混合表面等离激元F-P腔纳米线激光器，激光器阈值低至240 cm-1，Purcell因子高达2518；设计出一种AlGaAs/GaAs纳米线/多量子阱表面等离子体激光器，器件截止直径为80 nm，仅为光子模式激光器的一半；设计出一种基于GaAs/AlGaAs纳米线“核-壳”结构的混合槽等离激元激光器，器件直径细至40 nm时仍可支持传导模式。3、基于AlGaAs/GaAs纳米线/单量子阱结构，制备出一种室温近红外纳米激光器，在77 K下，激光器的激射波长为781 nm，阈值为600 W/cm2，线宽仅为0.39 nm，Q值高达2000；在室温下激射波长为791 nm，激射波长随温度的漂移仅为0.045 nm/K，该结构在超小尺寸、超低功耗、高温度稳定性纳米激光器中有重要应用前景。基于上述研究成果，在学术期刊及会议上发表论文35篇，其中在Nanoscale、Applied Physics Letters、Optics Express等高影响力学术期刊上发表SCI收录论文23篇；出版学术专著一部；申请发明专利2项，其中已授权1项；依托项目培养博士研究生4人、硕士研究生4人；部分成果获2017年度中国电子学会自然科学三等奖。