垂直金属包层结构助力提高纳米线LED光提取效率

基于硅基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体纳米线（NW）的纳米级光源有望成为下一代硅光子学、生物成像、片上显微镜以及激光雷达（LiDAR）技术的基石。然而，由于在硅上集成垂直Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体纳米线以及器件工艺流程的复杂性，使其在一些材料系统中受到限制。在光学衍射范围之外，抑制纳米线材料的光损耗以提高光提取效率仍然具有挑战性。

据麦姆斯咨询报道，近日，日本北海道大学（Hokkaido University）的研究团队探讨了垂直金属包层结构对基于硅基GaAs/GaAsP相关核-多壳（CMS）纳米线的垂直纳米发光二极管（LED）光提取效率的影响。集成在硅上的CMS纳米线由径向n-GaAs / n-GaAsP / p-GaAs / p-GaAsP双异质结构组成。这种垂直金属包层NW-LED展现出对载流子溢出效应的有效抑制以及电致发光（EL）的快速增强。相关研究成果已发表于Advanced Photonics Research期刊。

纳米光子学中的纳米光源材料需要克服衍射极限以发射相干光。近年来，具有表面等离子体共振的金属包层空腔结构已实现纳米材料在电流注入下的受激光发射，克服了金属在光学频率下的大欧姆损耗并提高了Purcell因子。在近红外（NIR）波长区域，金属介电函数的实部为负值，因此近红外波长的光对于小型光源更为合适。此外，近红外波长的纳米光源在片上光谱、生物成像技术和光免疫治疗方面具有优势。纳米线光源是在硅平台上实现电驱动NW-LD的重要技术。因此，首先需要制作金属包层以限制光沿径向传播并对抗纳米线轴向传播。其次，要制作防止光沿纳米线轴向传播的空腔结构。

在这项研究中，研究人员通过在硅（111）衬底上异质集成具有径向p-n结的GaAs QWs与垂直GaAs/GaAsP CMS纳米线，以及采用钨（W）工艺制备的金属包层结构，实现了垂直LED结构。

研究结果表明，在硅上异质集成的垂直GaAs/GaAsP CMS纳米线，其在室温下的光致发光（PL）显示了1.52 eV的发光是主要的辐射复合过程，该过程起源于CMS纳米线内部4 nm厚的GaAs QW管。研究人员通过仿真发现，垂直NW-LED的金属包层结构能够抑制基于GaAs QW的LED载流子溢出效应，并在纳米线轴向方向上提高了光的指向性提取。

垂直GaAs/GaAsP CMS纳米线在硅（111）上的选择性面积增长

垂直GaAs/GaAsP CMS纳米线的低温PL特性

垂直金属包层NW-LED的制造

垂直金属包层NW-LED的EL特性

单个NW-LED结构在x-z平面上的横截面近场电场强度

这项研究所提出的金属包层结构将在基于纳米线的电泵浦激光二极管（LD）应用中发挥重要作用。

审核编辑：刘清