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半导体纳米线不仅是优秀的增益介质，其独特的几何形状还构成了天然的法布里-珀罗光学谐振器，具有优异的发光效率和亚波长尺寸的特点，成为构建纳米尺度光源的理想结构。InP纳米线由于具有直接带隙和低表面非辐射复合率，能够在室温条件下实现稳定激射。在纳米线中嵌入InGaAs量子阱，不仅可以引入量子限域效应以降低激射阈值，还能将激射波长拓展至通信波段，实现硅基片上集成。
InP/InGaAs量子阱纳米线常用气-液-固和选区外延两种方法生长。气-液-固方法生长的纳米线，其直径往往沿生长方向逐步减小，会降低限制因子，导致光学腔品质因子较低。相比之下，选区外延方法可以更好地控制纳米线的形貌。然而，此方法在外延闪锌矿InP/InGaAs纳米线时，其长度难以超过2微米；外延纤锌矿InP/InGaAs纳米线时，InP和InGaAs侧壁晶面的能量差异会导致晶格畸变，产生不均匀形貌。因此，实现尺寸调控和形貌均匀的InP/InGaAs量子阱纳米线阵列外延仍然是一个挑战。
近日，西北工业大学甘雪涛教授、张旭涛副教授课题组联合澳大利亚国立大学傅岚教授课题组合作，开发了一种多步骤选区外延晶面工程方法，成功生长了尺寸可控、形貌均匀且具有高晶体质量的纤锌矿InGaAs/InP量子阱纳米线阵列，实现了室温、低阈值、近红外通讯波段激射。
该成果发表在Light: Science & Applications，题为"Telecom-band Multiwavelength Vertical Emitting Quantum Well Nanowire Laser Arrays"。
论文作者首先在高温和低V/III比条件下生长出具有纤锌矿结构的InP纳米线核。随后，他们通过降低生长温度、提高V/III比，促进了径向InP壳层的生长。在这一过程中，纤锌矿纳米线的侧壁旋转了30°,使得InP核和InGaAs量子阱的晶面能达到完美匹配，实现了在纤锌矿核壳结构InP的基础上完美外延同轴的InGaAs量子阱。如图2所示，最终生长的纳米线阵列具有规则的六棱柱形状和平滑的晶面形貌，形成了垂直方向上高品质因子的法布里-珀罗光学腔。
图2：InGaAs/InP量子阱纳米线生长示意图以及形貌和晶体结构特性
论文信息
Zhang, X., Zhang, F., Yi, R. et al. Telecom-band multiwavelength vertical emitting quantum well nanowire laser arrays. Light Sci Appl 13, 230 (2024).
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