BR112019015807A2 - Lasers ou leds com base em nanofios desenvolvidos em substratos tipo grafeno - Google Patents

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BR112019015807A2
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Ove Myking Fimland Bjorn
Weman Helge
Ren Dingding
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Norwegian University Of Science And Technology (Ntnu)
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Abstract

trata-se de um dispositivo, tal como um dispositivo emissor de luz, por exemplo, um dispositivo de laser, que compreende: uma pluralidade de nws semicondutores de grupos iii a v desenvolvidos em um lado de um substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafítico; um primeiro refletor de bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafítico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafítico aos ditos nws; opcionalmente, um segundo refletor de bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos nws; e em que os ditos nws compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p e, opcionalmente, uma região intrínseca entre as mesmas.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: LASERS OU LEDS COM BASE EM NANOFIOS DESENVOLVIDOS EM SUBSTRATOS TIPO GRAFENO [001] Esta invenção refere-se ao uso de uma camada grafitica fina como um substrato transparente para o desenvolvimento de nanofios (NWs) que podem ser formados em dispositivos tais como lasers emissores de superfície de cavidade vertical (VCSELs) ou diodos emissores de luz de cavidade ressonante (RCLEDs).
[002] Em particular, a invenção se refere ao uso de NWs semicondutores de grupos III a V em substratos grafíticos que compreendem dopagem adequada e pode compreender heteroestruturas quânticas como poços quânticos, pontos quânticos ou super-reticulados que são posicionados entre dois refletores de Bragg distribuídos ou espelhos de metal a fim de permitir a formação de um VCSEL ou RCLED.
Fundamentos [003] Nos últimos anos, o interesse em nanocristais semicondutores (tais como NWs) tem se intensificado conforme a nanotecnologia se torna uma importante disciplina de engenharia. NWs, os quais também são denominados como nanocapilares, nano-hastes, nanopilares, nanocolunas, etc. por alguns autores, têm encontrado aplicações importantes em uma variedade de dispositivos elétricos tais como sensores, células solares e diodos emissores de luz (LEDs).
Petição 870190073348, de 31/07/2019, pág. 19/129
2/83 [004] A presente invenção diz respeito a VCSELs com base em NWs desenvolvidos em substratos grafíticos ou RCLEDs com base na mesma tecnologia, mas operada abaixo do limiar de geração de raios laser.
[005] Um laser é um dispositivo que emite luz através de um processo de amplificação óptica com base na emissão estimulada de radiação eletromagnética. O termo laser originado como um acrônimo para amplificação de luz por emissão estimulada de radiação. Um laser difere de outras fontes de luz pelo fato de que o mesmo emite luz de modo coerente. Coerência espacial permite que um laser seja focalizado para um ponto apertado, que permite aplicações tais como corte e litografia a laser. Coerência espacial também permite que um feixe de laser permaneça estreito ao longo de grandes distâncias (colimação), que permite aplicações tais como apontadores de laser. Lasers também podem ter alta coerência temporal, o que permite que os mesmos emitam luz com um espectro muito estreito, isto é, os mesmos podem emitir uma cor de luz única.
[006] Entre suas muitas aplicações, lasers são usados em controladores de disco óptico, impressoras laser e leitores de código de barra; instrumentos de sequenciação de DNA, comunicação óptica por fibra ou óptica em espaço livre; cirurgia e tratamentos de pele com laser; corte e soldagem de materiais; dispositivos militares e de aplicação
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3/83 da lei para produzir alvos e medir alcance e velocidade; e visores de iluminação a laser em entretenimento.
[007] A presente invenção se refere, entre outras coisas, a nanolasers e nano-LEDs. Nanolasers e nano-LEDs permitirão o desenvolvimento de nova ciência e tecnologias, tais como resfriamento a laser localizado, visores, iluminação de estado sólido energeticamente eficiente, optoeletrônicos utilizáveis junto ao corpo, dispositivos médicos e impressoras laser. Entretanto, a falta de flexibilidade para integração de nanolasers em outras plataformas optoeletrônicas avançadas dificulta o desenvolvimento adicional de pesquisa e aplicações com base em nanolaser, tal como em nanofotônicos/optoeletrônicos, física de matéria condensada e outras disciplinas aplicadas.
[008] Tipicamente, NWs têm uma largura da ordem de centenas de nanômetros ou menos (por exemplo, 500 nm a 50 nm) , e uma razão de aspecto (razão entre comprimento e largura) de 10 ou mais. Dadas essas dimensões típicas, NWs são frequentemente considerados como tendo uma geometria anisotrópica unidimensional (ID).
[009] As dimensões de um NW também podem confinar luz dentro do NW em duas dimensões laterais visto que o diâmetro do nanofio é simétrico. O confinamento óptico ocorre devido à largura do NW, e o contraste de índice de refração entre o NW e material circundante (por exemplo, ar ou um
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4/83 enchimento. 0). 0 confinamento óptico permite que luz seja guiada ao longo do comprimento do NW.
[010] Os presentes inventores avaliaram que com sua geometria anisotrópica unidimensional (ID), a estrutura de NW pode, ela própria, trabalhar tanto como (i) uma cavidade de óptica Fabry-Pérot (por exemplo, na qual luz de laser/RCLED pode circular), e (ii) um meio de ganho que seja adequado para amplificar luz de laser/RCLED e que tenha portadora forte e confinamento óptico, e uma densidade eletrônica melhorada de estados. Com essas propriedades, os inventores avaliaram que um nanolaser e um nano-LED podem ser formados com a estrutura de NW. Tais nanolasers e nanoLEDs com base na estrutura de NW podem ser amplamente denominados como um laser de NW e LEDs de NW, respectivamente. É esperado que seja mais eficiente em desempenho e de dimensão muito menor em do que outras fontes de laser. Modulando-se a estrutura e/ou composição de material dentro do NW, o comprimento e a largura (por exemplo, diâmetro) do NW, os modos ópticos suportados no interior da cavidade de NW podem ser ajustados de modo flexível.
[011] Especialmente, lasers de NW semicondutor III a V de lacuna de banda direta têm atraído grande atenção recentemente, visto que o próprio material é o mais promissor para concretização de lasers com alto desempenho, materiais
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5/83 que cobrem de infravermelho (por exemplo, GaSb, InAs, GaAs), visível (por exemplo, GaAsP, InGaN) a ultravioleta (por exemplo, AlGaN, AIN). A diferença de índice de refração alta de materiais III a V com ar pode assegurar o confinamento óptico eficaz da luz no interior da cavidade de NW, o que proporciona comportamento de geração de raios laser com temperatura do ambiente estável. A incorporação de estruturas de ponto quântico (QD) zero dimensionais (OD) compostas de materiais de lacuna de banda baixa no interior do NW, por exemplo, QDs de InGaN em NWs de GaN, é um método eficiente para restringir os elétrons e furos em uma densidade semelhante à função delta de estados, que leva a limiar de geração de raios laser baixo, estabilidade de temperatura e fator de qualidade altos.
[012] Assim, será reconhecido que lasers de NW e LEDs de NW podem fornecer muitas características desejáveis. Entretanto, até hoje, produzir tais lasers de NW e LEDS de NW, em particular VCSELs de NW e RCLEDs de NW, permanece difícil e há diversos desafios científicos e práticos críticos ainda a serem solucionados. Alguns desses desafios são listados abaixo e há uma necessidade de endereçar esses desafios, particularmente para fabricar matrizes de VCSEL/RCLEDs de NW (o que é desejável para induzir acoplamento óptico entre VCSELs/RCLEDs de NW vizinhos para produzir matrizes de cristal fotônico (PC)de NW emissores de
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6/83 luz) :
1. Dificuldade de integração monolítica. É desafiador desenvolver lasers de NW III a V verticais epitaxialmente em um refletor de Bragg distribuído (DBR) ou espelhos de metal. Por exemplo, NWs com base em GaAs são desenvolvidos epitaxialmente na direção [111], o que não é compatível com DBRs de GaAs/AlAs bidimensionais (2D) que são desenvolvidos em GaAs(100).
2. É difícil para produzir um laser bombeado eletricamente visto que muitos materiais de DBR adequados como espelhos têm baixa condução ou são até mesmo isolantes.
3. Contato elétrico absorvente. Por exemplo, luz UV será bastante absorvida por contatos ITO transparentes tradicionais, o que reduz dramaticamente o desempenho de laser.
[013] Os presentes inventores propõem VCSELs de NW ou RCLEDs de NW que envolvem o desenvolvimento de NWs em substratos grafíticos tais como grafeno. Em particular, os inventores consideram desenvolver NWs de grupos III a V tais como NWs de GaAs, GaN, A1N, InGaN, AlGaN e Alegam em grafeno. Desse modo, os inventores vantajosamente usam grafeno tanto como um substrato bem como contato transparente e condutor para os VCSELs/RCLEDs de NW. Os inventores também reconheceram que, devido à transparência de grafeno através de todos os comprimentos de onda de luz eletromagnética de
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7/83 interesse, o grafeno pode ser usado como um suporte de fundo para dispositivos emissores de luz com base em NW, sem bloquear o trajeto de luz dos NWs para estruturas que podem ser colocadas abaixo do grafeno (por exemplo, sem bloquear o trajeto de luz para um DBR subjacente).
[014] O desenvolvimento de NWs em grafeno não é novo, propriamente dito. No documento W02012/080252, há uma discussão do desenvolvimento de NWs semicondutores em substratos de grafeno com o uso de epitaxia de feixe molecular (MBE) . O documento WO2013/104723 se refere a melhorias na revelação '252 em que um contato de topo de grafeno é empregado em NWs desenvolvidos em grafeno. Esses documentos anteriores não são, entretanto, relacionados com lasers ou LEDs. Mais recentemente, os inventores descreveram NWs de núcleo-revestimento (core-shell) desenvolvidos em grafeno (documento WQ2013/190128).
[015] O documento U.S. 2011/0254034 descreve LEDs nanoestruturados que emitem na região visível. O dispositivo compreende um LED nanoestruturado com um grupo de NWs que se projeta a partir de um substrato. Os NWs têm uma junção pi-n e uma porção de topo de cada NW é coberta com uma camada de contacto refletora de luz a qual também pode atuar como um eletrodo. Quando uma tensão é aplicada entre o eletrodo e a camada de contacto refletora de luz, luz é gerada dentro do NW.
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8/83 [016] Ninguém antes, entretanto, considerou lasers ou LEDs com base em NWs (isto é, lasers/LEDs de NW) desenvolvidos em substratos do tipo de grafeno.
Sumário da invenção [017] Assim, visto a partir de um aspecto, a invenção fornece um dispositivo, tal como um dispositivo emissor de luz, por exemplo, um dispositivo de laser, que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V desenvolvidos em um lado de um substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafítico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafítico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafítico aos ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p e, opcionalmente, uma região intrínseca entre as mesmas.
[018] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um dispositivo, tal como um dispositivo emissor de luz, por exemplo, um dispositivo de laser, que compreende:
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9/83 uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a
V desenvolvidos em um lado de um substrato grafitico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafitico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafitico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafitico aos ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p e, opcionalmente, uma região intrínseca entre as mesmas;
em que pelo menos uma dentre as ditas regiões compreende pelo menos uma heteroestrutura; e opcionalmente, pelo menos uma dentre as ditas regiões compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
[019] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um dispositivo, tal como um dispositivo de laser, que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a
V desenvolvidos em um lado de um substrato grafitico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafitico;
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10/83 uma camada espaçadora transparente substancialmente paralela e em contato com o lado oposto do dito substrato grafítico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal substancialmente paralelo e em contato com a camada espaçadora transparente;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p e, opcionalmente, uma região intrínseca entre as mesmas.
[020] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um dispositivo, tal como um dispositivo emissor de luz, por exemplo, um dispositivo de laser, que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V desenvolvidos em um lado de um substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafítico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafítico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafítico aos ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma
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11/83 porção dos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura; e opcionalmente, pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
[021] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um dispositivo, tal como um dispositivo emissor de luz, por exemplo, um dispositivo de laser, que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V desenvolvidos em um lado de um substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafítico;
uma camada espaçadora transparente substancialmente paralela e em contato com o lado oposto do dito substrato grafítico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafítico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafítico aos ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e
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12/83 opcionalmente, pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
[022] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um dispositivo, tal como um dispositivo emissor de luz, por exemplo, um dispositivo de laser, que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a
V desenvolvidos em um lado de um substrato grafitico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafitico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafitico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafitico aos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p e, opcionalmente, uma região intrínseca entre as mesmas.
[023] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um dispositivo, tal como um dispositivo emissor de luz, por exemplo, um dispositivo de laser, que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a
V desenvolvidos em um lado de um substrato grafitico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão
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13/83 de furo opcional sobre o dito substrato grafitico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafitico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafitico aos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura; e opcionalmente, pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
[024] Preferencialmente, a dita região intrínseca (região ativa) está presente e, preferencialmente, a mesma compreende pelo menos uma heteroestrutura selecionada dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado.
[025] Onde o dispositivo emite luz, a luz é emitida (como laser), preferencialmente, em uma direção substancialmente paralela e na mesma direção que a direção de crescimento dos NWs. Os refletores de Bragg distribuídos ou espelhos de metal são, preferencialmente, paralelos ao substrato grafitico.
[026] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um dispositivo de laser que compreende:
uma pluralidade de NWs desenvolvidos em um lado de um
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14/83 substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafítico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafítico e posicionado no lado oposto para os ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato elétrico com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p separadas por uma região intrínseca (região ativa) em que a dita região intrínseca compreende uma pluralidade de heteroestruturas quânticas selecionadas dentre poços quânticos, pontos quânticos ou super-reticulados; e opcionalmente, pelo menos uma dentre as ditas regiões compreende uma camada de bloqueio de elétron.
[027] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um processo para a preparação de um dispositivo como definido anteriormente que compreende:
fornecer um substrato grafítico que tem um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal substancialmente paralelo e em um lado do dito substrato grafítico;
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15/83 desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafítico oposto ao dito DBR ou espelho de metal, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafítico, sendo que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p, opcionalmente, separada por uma região intrínseca (região ativa); e opcionalmente, fornecer um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs.
[028] É preferencial que a região intrínseca esteja presente.
[029] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um processo para a preparação de um dispositivo que compreende:
fornecer um substrato grafítico que tem um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal substancialmente paralelo e em um lado do dito substrato grafítico;
desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafítico oposto ao dito DBR ou espelho de metal, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafítico,
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16/83 sendo que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e em que, opcionalmente, pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo; e opcionalmente, fornecer um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs.
[030] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um processo para a preparação de um dispositivo que compreende:
fornecer um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com uma camada espaçadora transparente, sendo que a dita camada espaçadora está em contato com um substrato grafítico;
desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafítico oposto à dita camada espaçadora, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafítico, sendo que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p, opcionalmente, separada por uma região intrínseca (região ativa); e opcionalmente, fornecer um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de
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17/83 pelo menos uma porção dos ditos NWs.
[031] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um processo para a preparação de um dispositivo que compreende:
fornecer um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com uma camada espaçadora transparente, sendo que a dita camada espaçadora está em contato com um substrato grafítico;
desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafítico oposto à dita camada espaçadora, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafítico, sendo que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e em que, opcionalmente, pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo; e opcionalmente, fornecer um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs.
[032] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um processo para a preparação de um dispositivo que compreende:
fornecer um substrato grafítico ou vidro de grafeno,
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18/83 respectivamente;
desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafítico, sendo que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p, opcionalmente, separada por uma região intrínseca (região ativa); e fornecer um refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs.
[033] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um processo para a preparação de um dispositivo, de acordo com a reivindicação 17 ou 18 que compreende:
fornecer um substrato grafítico ou vidro de grafeno, respectivamente;
desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafítico, sendo que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e em que, opcionalmente pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo; e
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19/83 fornecer um refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs.
[034] Visto a partir de outro aspecto, a invenção fornece um processo para a preparação de um dispositivo, de acordo com a reivindicação 13 ou 14 que compreende desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafítico, sendo que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e em que, opcionalmente pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo; e opcionalmente, fornecer um refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs; e transferir o dito substrato grafítico para um DBR ou espelho de metal ou para uma camada espaçadora transparente em um DBR ou para uma camada espaçadora transparente em um espelho de metal.
Definições [035] Por um semicondutor composto de grupos III a V entende-se um que compreende pelo menos um elemento do
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20/83 grupo III e pelo menos um elemento do grupo V. Pode haver mais do que um elemento presente de cada grupo, por exemplo, AlGaN (isto é um composto ternário) , AlInGaN (isto é um composto quaternário), e assim por diante. A designação Al(Em)GaN implica em AlGaN ou AlInGaN, isto é, que a presença de Em é opcional. Qualquer elemento indicado entre parênteses pode ou pode estar presente ou não.
[036] O termo nanofio (NW) é usado no presente documento para descrever uma estrutura semelhante a fio sólida de dimensões nanométricas. NWs têm, preferencialmente, um diâmetro uniforme na maior parte do NW, por exemplo, pelo menos 75% de seu comprimento. O termo NW é destinado a cobrir o uso de nano-hastes, nanopilares, nanocolunas ou nanocapilares alguns dos quais podem ter estruturas de extremidade cônica. Pode ser dito que os NWs são essencialmente em forma unidimensional com dimensões nanométricas em sua largura ou diâmetro e seu comprimento, tipicamente, na faixa de poucos 100 nm a poucos m. Idealmente, o diâmetro de NW é entre 50 e 500 nm. Será reconhecido que há, normalmente, um diâmetro especifico a fim de que o NW confine um certo modo (ou modos) óptico e atue como uma guia de onda. O diâmetro especifico depende do índice de refração eficaz do NW e o comprimento de onda de emissão.
[037] Idealmente, o diâmetro na base do NW e no topo
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21/83 do NW deve permanecer aproximadamente o mesmo (por exemplo, dentro de 20% um do outro).
[038] Será reconhecido que o substrato porta, preferencialmente, uma pluralidade de NWs. Esse pode ser chamado uma matriz de NWs. Em uma modalidade, entretanto, é previsto que um dispositivo emissor de luz tal como um dispositivo de laser possa ser desenvolvido com o uso de um único NW.
[039] Camadas grafíticas para substratos são filmes compostos de uma única ou múltiplas camadas de grafeno ou seus derivados. O termo grafeno se refere a uma folha plana de átomos de carbono ligados a sp2 em uma estrutura de cristal alveolar. Derivados de grafeno são aqueles com modificação de superfície. Por exemplo, os átomos de hidrogênio podem ser fixados à superfície de grafeno para formar grafano. O grafeno com átomos de oxigênio fixados à superfície juntamente com carbono e átomos de hidrogênio é chamado como óxido de grafeno. A modificação de superfície também pode ser possível por dopagem química ou tratamento com oxigênio/hidrogênio ou plasma de nitrogênio.
[040] O termo epitaxia vem das raízes gregas epi, que significa acima, e taxis, que significa de maneira ordenada. A disposição atômica do NW é com base na estrutura cristalográfica do substrato. O mesmo é um termo bem usado nessa técnica. Desenvolvimento epitaxial significa no
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22/83 presente documento o desenvolvimento no substrato de um NW que reproduz a orientação do substrato. É preferencial que qualquer NW seja desenvolvido epitaxialmente.
[041] Os NWs podem ser desenvolvidos aleatoriamente no substrato grafítico de baixo para cima com o uso de método de vapor-líquido-sólido auxiliado por catalisador de metal (VLS) ou livre de catalisador. Esses métodos produzem grandes flutuações no comprimento e diâmetro dos NWs. NWs mais uniformes podem ser obtidos desenvolvendo-se NWs posicionados com o uso de uma máscara com padrão de nanofuros no substrato. Os NWs nucleados nos furos da máscara padronizada no substrato. Isso produz tamanho uniforme e posição pré-definida dos NWs. Desenvolvimento de área seletiva (SAG) é um método muito promissor para desenvolver NWs livres de catalisador posicionados. Esse método é diferente do método de VLS auxiliado por catalisador de metal, em que catalisador de metal atua como locais de nucleação para o desenvolvimento de NWs.
[042 ] 0 termo máscara se refere ao material de
máscara que é depositado diretamente : na camada grafítica . 0
material de máscara, idealmente, não deve absorver luz
emitida ( a qual pode ser infravermelha, visíve 1, UV-A, UV-B
ou UV-C) . A máscara também deve ser eletricamente não
condutora . A máscara pode conter um ou mai s do que um
material, que inclui AI2O3, S1O2, Si 3N4, T1O2, W2O3, e assim
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23/83 por diante. Posteriormente, os padrões de furo no material de máscara podem ser preparados com o uso de litografia de feixe de elétron ou litografia de nanoimpressão e corrosão seca ou úmida.
[043] Epitaxia de feixe molecular (MBE) é um método para formar deposições em substratos cristalinos. O processo de MBE é realizado aquecendo-se um substrato cristalino em um vácuo de modo a energizar a estrutura reticular do substrato. Então, um feixe (ou feixes) de massa atômica ou molecular é dirigido à superfície do substrato. O termo elemento usado acima é destinado a cobrir aplicação de átomos, moléculas ou íons daquele elemento. Quando os átomos ou moléculas dirigidos chegam à superfície do substrato, os átomos ou moléculas dirigidos encontram a estrutura reticular energizada do substrato como descrito em detalhes abaixo. Ao longo do tempo, e com parâmetros de desenvolvimento adequados, os átomos que chegam formam NWs.
[044] Epitaxia de fase de vapor orgânico de metal (MOVPE) também chamado como metal deposição de vapor químico orgânico (MOCVD) é um método alternativo ao MBE para formar deposições em substratos cristalinos. Em caso de MOVPE, o material de deposição é abastecido na forma de precursores orgânicos de metal, os quais ao alcançar o substrato em alta temperatura se decompõem deixando átomos na superfície de substrato. Além disso, esse método exige um gás portador
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24/83 (tipicamente H2 e/ou N2) para transportar materiais de deposição (átomos/moléculas) através da superfície de substrato. Esses átomos que reagem com outros átomos formam uma camada epitaxial na superfície de substrato. A escolha criteriosa dos parâmetros de deposição resulta na formação de NWs.
[045] Será reconhecido que NWs de uso nos dispositivos da invenção compreendem uma região de geração de luz. A região de geração de luz pode compreender uma região intrínseca. Portadores injetados/excitados dentro da região de geração de luz, preferencialmente recombinam para gerar luz. Preferencialmente, a região de geração de luz compreende uma ou mais heteroestruturas como um poço quântico, um ponto quântico, um super-reticulado, múltiplos poços quânticos ou múltiplos pontos quânticos. Preferencialmente, o poço (ou poços) quântico e o ponto (ou pontos) quântico são poço (ou poços) quântico de lacuna de banda direta e ponto (ou pontos) quântico de lacuna de banda direta, respectivamente. Idealmente, uma região intrínseca da região de geração de luz pode compreender uma ou mais heteroestruturas quânticas. A região intrínseca de uma região de geração de luz pode ser imprensada entre duas regiões de revestimento. Uma das regiões de revestimento pode ser uma região dopada tipo p. A outra região de revestimento pode ser uma região dopada tipo n. Será
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25/83 reconhecido que imprensar uma região intrínseca entre uma região de tipo n e uma região de tipo p formará uma junção p-i-n dentro de um NW.
[046] 0 NW pode compreender uma camada de bloqueio de elétron ou furo, um heterojunção (por exemplo, uma heterojunção de GaN/AIN ou um super-reticulado de período curto. A camada de bloqueio de furo e/ou o super-reticulado de período curto podem estar dentro de uma região de tipo n do NW, e uma camada de bloqueio de elétron e/ou o superreticulado de período curto separados podem estar dentro de uma região de tipo p do NW. Super-reticulados de período curto como as assim chamadas (lacuna de banda) camadas de graduação podem ser necessárias para melhorar transporte de portadora na região de geração de luz e, portanto, desempenho de laser.
[047] A orientação da junção não importa (por exemplo, a junção pode ser n-i-p ou p-i-n). Na maior parte dos casos, é preferido desenvolver a região dopada tipo n em primeiro lugar seguida pela região dopada tipo p ou seguida pela região intrínseca e região dopada tipo p.
[048] A natureza das heteroestruturas (por exemplo, poços quânticos, pontos quânticos, super-reticulados ou múltiplos QW/QD) depende da natureza do próprio NW, mas será prontamente determinada pela pessoa versada na técnica.
[049] Os QW(s) compreendem uma região de material
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26/83 de lacuna de banda baixa imprensado entre duas regiões de material de lacuna de banda superior. A largura da região de lacuna de banda inferior é da ordem do comprimento de onda de De Broglie em tamanho e se estende entre as duas regiões de material de lacuna de banda superior. 0 material de lacuna de banda inferior forma descontinuidades de energia potencial nas duas heterojunções onde o mesmo encontra os materiais de lacuna de banda superior. As descontinuidades de energia potencial definem um poço potencial unidimensional na banda de condução e/ou a banda de valência da estrutura de banda de QW para confinar portadores para o material de lacuna de banda inferior. 0 poço potencial leva à formação de um ou mais níveis de energia distintos.
Portadores dentro da região de lacuna de banda inferior podem
ocupar um nível de energia distinto quando confinados no
poço potencial.
[050] 0 QD (ou QDs) compreende uma região de
material de lacuna de banda baixa substancialmente circundado por uma região de material de lacuna de banda superior. As dimensões da região de lacuna de banda inferior são da ordem do comprimento de onda de De Broglie em tamanho. A região de lacuna de banda inferior forma descontinuidades de energia potencial nas heterojunções onde a mesma encontra os materiais de lacuna de banda superior. Essas descontinuidades de energia potencial definem um poço
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27/83 potencial tridimensional na banda de condução e/ou na banda de valência da estrutura de banda de QD. 0 poço potencial tridimensional pode confinar portadores à região de lacuna de banda inferior em todas as três dimensões, e leva à formação de um ou mais níveis de energia distintos. Portadores dentro da região de lacuna de banda inferior podem ocupar um nível de energia distinto quando confinados no poço potencial.
[051] Um refletor de Bragg distribuído (DBR) é uma estrutura periódica formada a partir de camadas dielétricas ou semicondutoras alternadas que pode ser usada para alcançar reflexão quase total dentro de um alcance de frequências. O mesmo é uma estrutura formada a partir de múltiplas camadas de materiais alternados com índice de refração variado, ou por variação periódica de alguma característica (tal como altura) de uma guia de onda dielétrica, que resulta em variação periódica no índice de refração eficaz na guia. Os DBRs da invenção podem ser dielétricos (nesse caso o substrato grafítico se torna o injetor de carga) ou semicondutores. O DBR pode estar em contato elétrico com a camada grafítica ou ser separado da mesma por uma camada espaçadora transparente. O termo transparente é usado para significar transparente com relação à luz emitida pelo dispositivo.
[052] Um espelho de metal é uma camada de metal que
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28/83 reflete luz, tal como uma camada de Al.
[053] O termo cavidade ressonante ou cavidade óptica é definido como a região entre os dois DBRs ou espelhos de metal, tipicamente, portanto, o NW.
Descrição detalhada da invenção [054] Essa invenção se refere à preparação de dispositivos emissores de luz tais como lasers ou LEDs com base em NWs desenvolvidos em substratos grafíticos. O laser de NW da invenção é, preferencialmente, um laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL) - isto é um VCSEL de NW. A estrutura do VCSEL de NW é descrita em mais detalhes abaixo. O LED de NW da invenção é, preferencialmente, um diodo emissor de luz de cavidade ressonante (RCLED) - isto é um RCLED de NW. A estrutura do RCLED de NW pode ser a mesma que o VCSEL de NW, mas, em operação, o RCLED de NW é disposto para operar abaixo do limiar de geração de raios laser, em vez de no ou acima do limiar de geração de raios laser. Assim, será reconhecido que as descrições abaixo do VCSEL de NW, também descrevem a estrutura do RCLED de NW. Também será reconhecido que quando opera abaixo do limiar de laser, o VCSEL de NW pode ser considerado como um RCLED de NW. A luz emitida a partir do RCLED de NW compreenderá, predominantemente, emissão espontânea devido ao fato de que a mesma opera abaixo do limiar de laser. A luz emitida a partir do VCSEL de NW compreenderá predominantemente emissão
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29/83 estimulada quando opera no ou acima do limiar de geração de raios laser.
[055] Os VCSELs são lasers semicondutores, mais especificamente diodos laser, com um ressonador laser monolítico, em que a luz emitida deixa o dispositivo em uma direção perpendicular à superfície de substrato, isto é perpendicular à superfície grafítica. O ressonador (cavidade) é definido, tipicamente, por dois refletores de Bragg distribuídos (ou espelhos de metal) semicondutores ou dielétricos. No presente caso o DBR ou espelho de metal de topo (segundo) é opcional mas é preferencial que um segundo DBR ou espelho de metal seja usado.
[056] Entre esses DBRs ou espelhos de metal, há NWs que compreendem uma região de geração de luz. A região de geração de luz também pode ser denominada no presente documento como uma região ativa ou meio de ganho. Os NWs são, tipicamente, desenvolvidos para compreender uma região dopada tipo p, uma região dopada tipo n e, idealmente, uma região intrínseca, por exemplo, para um NW bombeado eletricamente. A região intrínseca de um NW pode fazer parte de, ou ser, a região de geração de luz daquele NW.
[057] A região de geração de luz de cada NW compreende, preferencialmente, pelo menos uma heteroestrutura tal como heteroestrutura quântica selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico,
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30/83 ponto quântico ou super-reticulado, preferencialmente uma pluralidade de poços quânticos, pontos quânticos ou superreticulados. Preferencialmente, a região de geração de luz de cada NW compreende uma pluralidade de heteroestruturas quânticas. Idealmente, a região de geração de luz compreende uma região intrínseca, e a heteroestrutura (ou heteroestruturas) tal como heteroestruturas quânticas estão dentro da região intrínseca.
[058] A região dopada tipo p dentro do NW, contém preferencialmente uma camada de bloqueio de elétron. Camadas de bloqueio elétron de interesse serão impostas pela natureza dos NWs e das heteroestruturas dentro dos NWs, mas camadas de bloqueio de elétron adequadas incluem, por exemplo, uma camada de AlGaN tipo p incluída em uma região de GaN de tipo p.
[059] Em geral, uma camada de bloqueio de elétron na região de tipo p deve formar uma barreira na banda de condução e preferencialmente nenhuma barreira na banda de valência. De modo oposto, uma camada de bloqueio de elétron na região de tipo n (também chamada uma camada de bloqueio de furo) deve formar uma barreira na banda de valência e, preferencialmente, nenhuma barreira na banda de condução. Em geral, a camada de bloqueio de elétron é imprensada entre material de lacuna de banda inferior [060] Pode haver 1 a 100 poços quânticos/pontos
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31/83 quânticos nos NWs. Os poços quânticos/pontos quânticos compreendem uma região de lacuna de banda baixa disposta entre regiões de lacuna de banda superior. As regiões de lacuna de banda superior podem ser consideradas como sendo camadas de barreira dentro dos NWs devido ao fato de que as mesmas fornecem uma barreira de energia potencial para confinar portadores à região de lacuna de banda baixa. Camadas de barreira de interesse dependem do material de grupos III a V em questão.
[061] Idealmente, o dispositivo de laser todo tem uma espessura total de poucos micrômetros, por exemplo, 1 a 10 micrômetros. Em uso, a região ativa é bombeada eletricamente com uma corrente de poucas dezenas a centenas de kA/cm2 e gera uma potência de saída na faixa de poucos a dezenas de kW/cm2. A corrente é aplicada através de dois eletrodos. Em uma modalidade, o substrato grafítico atua como um eletrodo através do qual a corrente pode ser abastecida para os NWs. Em outra modalidade DBRs/espelhos de metal semicondutores atuam como um ou ambos os eletrodos. O dispositivo também pode ser dotado de um eletrodo externo conforme exigido.
[062] Assim, o dispositivo de laser da invenção compreende, preferencialmente, dois refletores de Bragg distribuídos (DBR) ou espelhos de metal paralelos à superfície grafítica. Esses espelhos definem uma cavidade
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32/83 óptica (ou cavidade ressonante) que compreende um ou mais NWs os quais, preferencialmente, contêm poços quânticos/pontos quânticos ou super-reticulados para a geração de luz, por exemplo, geração de luz de laser e geração de luz de LED. Os NWs, idealmente, compreendem uma junção p-i-n e os poços quânticos/pontos quânticos ou superreticulado estão, idealmente, presentes dentro da região intrínseca.
[063] Como detalhado abaixo, os DBR-espelhos planos compreendem camadas com índices de refração superior e inferior alternados. Em particular, as camadas refletivas de Bragg dentro do DBR têm, tipicamente, uma espessura aproximadamente igual a um quarto do comprimento de onda de laser no material (ou certos múltiplos do mesmo, por exemplo, cinco quartos), que produzem refletividades de intensidade tão alta quanto 99%.Espelhos de refletividade alta são exigidos em VCSELs para equilibrar o comprimento axial curto da região de ganho.
[064] No caso de DBRs semicondutores, é preferencial que os DBRs superiores e inferiores sejam dopados como materiais tipo p e tipo n (ou vice-versa) , o que contribui para uma junção de diodo. Se o substrato grafitico for usado como um injetor de corrente, o DBR mais próximo à camada grafitica não precisa ser condutor. A invenção, portanto, prevê o uso de DBRs dielétricos.
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33/83 [065] Os VCSELs de NW da invenção compreendem, preferencialmente, uma região de geração de luz que gera luz que tem um comprimento de onda de 200 nm a 1600 nm. Para a região de comprimento de onda de infravermelho, isso pode ser obtido com o uso de uma região de geração de luz que compreende antimonida de arsenieto de gálio (GaAsSb) com DBRs formados de GaAs e arsenieto de alumínio gálio (AlxGai_ xAs) em que x é, tipicamente, 0,25 a 1.00. Assim, por exemplo, a região de geração de luz pode compreender uma heteroestrutura quântica (por exemplo, um poço/ponto quântico) que tem GaAsSb na região de lacuna de banda baixa e GaAs ou AlGaAs nas regiões de lacuna de banda alta.
[066] AlAs também é usado, tipicamente, conforme menor número de pares de Bragg são necessários para um DBR de GaAs/AlAs. O sistema de GaAs-Al(Ga) As é favorecido para construir DBRs em VCSELs devido ao fato de que a constante reticular do material não varia fortemente conforme a composição é mudada. Entretanto, o índice de refração de AlGaAs varia de modo relativamente forte conforme a fração de Al é aumentada, o que minimiza o número de camadas exigido para formar um DBR eficiente comparado a outros sistemas de material candidato.
[067] Para comprimentos de onda de luz inferiores tais como 200 a 400 nm, DBR ou espelhos de metal dielétricos são empregados preferencialmente. Para os comprimentos de
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34/83 onda visíveis um DBR de Al(Ga)N/GaN, DBR dielétrico, ou espelho de metal é a opção preferencial.
[068] Para fornecer luz no alcance UV, as regiões de geração de luz dos NWs compreendem AlGaN, preferencialmente com um DBR de Al (Ga) N/AlGaN, DBR dielétrico ou espelho de metal.
[069] Um dispositivo de acordo com a invenção, portanto, compreende, preferencialmente, uma pluralidade de NWs desenvolvidos epitaxialmente em um substrato grafítico. Cada NW se projeta a partir de um substrato grafítico e compreende uma região de geração de luz. Idealmente a região de geração de luz compreende uma região intrínseca, e é disposta entre uma região dopada p e uma região dopada n para formar uma junção p-i-n. Preferencialmente, a região de geração de luz compreende uma ou mais heteroestruturas quânticas (por exemplo, um ou mais poços quânticos ou um ou mais pontos quânticos), as quais são, idealmente, dispostas dentro da região intrínseca.
[070] Orientando-se um laser de NW de modo que seu comprimento se estenda para fora do plano do substrato, e fornecendo-se um meio para circular luz ao longo do comprimento do NW (por exemplo, fornecendo-se um espelho em ambas as extremidades do NW), o NW pode formar um VCSEL de NW. De modo similar, orientando-se um LED de NW de modo que seu comprimento se estenda para fora do plano do substrato,
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35/83 e fornecendo-se um meio para circular luz ao longo do comprimento do LED de NW (por exemplo, fornecendo-se um espelho em ambas as extremidades do comprimento do LED de NW), o LED de NW pode formar um RCLED de NW.
[071] Preferencialmente, o comprimento de um VCSEL de NW, e um RCLED de NW, se estende de modo substancialmente vertical a partir do plano horizontal do substrato no qual os mesmos são dispostos respectivamente. Assim, será reconhecido que, em geral, VCSELs de NW e RCLEDs de NW emitem luz em uma direção que é inclinada em relação ao plano horizontal do substrato, em vez de emitirem luz em uma direção que seja substancialmente paralela ao plano do substrato.
[072] Para integralidade, pode ser que os NWs sejam livres de heteroestruturas por algum motivo. A invenção se refere a dispositivos nos quais a intenção é que todos os NWs contenham as heteroestruturas necessárias, mas abrange dispositivos nos quais os NWs poderíam ser livres de tais heteroestruturas. Idealmente todos os NWs contêm as heteroestruturas necessárias.
[073] Ter um NW desenvolvido epitaxialmente fornece homogeneidade ao material formado o que pode reforçar várias propriedades finais, por exemplo, propriedades mecânicas, ópticas ou elétricas.
[074] NWs epitaxiais podem ser desenvolvidos a
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36/83 partir de precursores sólidos, gasosos ou líquidos. Devido ao fato de que o substrato atua como um cristal semente, o NW depositado pode assumir uma estrutura e/ou orientação reticular similar àquela do substrato. Isso é diferente de alguns outros métodos de deposição de filme fino que depositam filmes policristalinos ou amorfos, mesmo em substratos de cristal único.
[075] O NW semicondutor composto de III a V pode compreender uma região dopada tipo p e uma região dopada tipo η. A região dopada tipo p pode estar em contato direto com a região dopada tipo n. Preferencialmente, entretanto, a região dopada tipo p é separada da região dopada tipo n pela região de geração de luz. Será reconhecido que a disposição da região dopada tipo p, região de geração de luz e região dopada tipo n podem formar uma heteroestrutura dupla ou heteroestrutura múltipla. A região dopada tipo p e a região dopada tipo n podem ser dispostas para injetar portadores na região de geração de luz. A injeção de portadora pode ocorrer mediante a aplicação de um campo elétrico e/ou corrente elétrica às regiões dopadas tipo p e dopadas tipo n. Será reconhecido que o substrato grafitico pode ser usado para fornecer uma corrente elétrica para as regiões dopadas tipo p e/ou dopadas tipo n.
[076] Em modalidades em que a região de geração de luz compreende uma região intrínseca, a disposição da região
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37/83 dopada tipo p, região intrínseca e região dopada tipo n pode formar uma assim chamada estrutura p-i-n.
[077]
Também será reconhecido que a região de geração de luz pode ser disposta para formar a região ativa (isto é meio de ganho) de um laser/LED de NW.
[078]
O NW semicondutor composto de TIT a V pode adicional ou alternativamente compreender uma ou camada de bloqueio de elétron ou furo. A camada (ou camadas) de bloqueio de elétron pode ser disposta adjacente à região de geração de luz. Preferencialmente, uma ou mais camadas de bloqueio de elétron podem ser dispostas na região dopada tipo p. Adicional ou alternativamente, uma ou mais camadas de bloqueio de elétron podem ser dispostas na região dopada tipo n. Preferencialmente, a camada (ou camadas) de bloqueio de elétron na região de tipo p é disposta para bloquear substancialmente vazamento de elétron a partir da região de geração de luz, por exemplo, uma camada de bloqueio de elétron na região de tipo p pode bloquear vazamento de elétron a partir da banda de condução da região de geração de luz, e uma camada de bloqueio de elétron na região de tipo n pode bloquear vazamento de furo a partir da banda de valência da região de geração de luz.
[079] O dispositivo pode, opcionalmente, ter um segundo meio de reflexão de luz disposto no topo do NW (ou NWs) semicondutor composto de III a V. O segundo meio de
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38/83 reflexão de luz pode ser um DBR ou uma camada metálica. Opcionalmente, o segundo meio de reflexão de luz pode ser o mesmo que o primeiro meio de reflexão de luz supramencionado. Preferencialmente, entretanto, o segundo meio de reflexão de luz pode ter uma refletância inferior ao primeiro meio de reflexão de luz. Preferencialmente, o segundo meio emissor de luz é disposto para retroalimentar luz que emerge do NW de volta para o NW.
[080] Será reconhecido que dispor o NW (ou NWs) entre um primeiro e um segundo meio de reflexão de luz define um ressonador óptico (isto é cavidade óptica para luz circulante).Preferencialmente, o primeiro e o segundo meio de reflexão de luz são dispostos para fornecer retroalimentação óptica para o NW, e preferencialmente para a região de geração de luz. Por exemplo, o primeiro meio de reflexão de luz pode ser disposto para refletir luz incidente do NW de volta para o NW. O segundo meio de reflexão de luz pode ser disposto para refletir luz incidente do NW de volta para o NW. A luz refletida do primeiro meio de reflexão de luz pode se deslocar em direção ao segundo meio de reflexão de luz, e vice-versa. Assim, o primeiro e segundo meios emissores de luz podem ser dispostos para retroalimentar luz para o NW, de modo a circular luz que emerge do NW. Preferencialmente, o primeiro e segundo meios emissores de luz retroalimentam luz para a região de geração de luz, de
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39/83 modo a circular luz que emerge da região de geração de luz.
[081] Cada parte do dispositivo da invenção é descrita agora em mais detalhes.
[082] As vantagens da estrutura de laser/LED híbrida de NW/grafeno proposta são:
[083] 1.Funcionalidade flexível. Heteroestruturas quânticas (isto é estruturas dimensionais baixas tais como poços/pontos quânticos) podem ser muito mais bem controladas e incorporadas tanto na direção radial quanto axial em NWs, quando comparadas a dispositivos que são considerados como tendo geometria anisotrópica bidimensional (2D) (por exemplo, lasers de crista/nervura). Desse modo, os NWs que têm heteroestruturas quânticas são capazes de aumentar o ganho em seu respectivo meio de ganho (isto é região de geração de luz).
[084] 2. Projeto compacto. Cada NW é sua própria cavidade de laser com meio de ganho integrado.
[085] 3.Criação de efeito de cristal fotônico (PC).
Por exemplo, os NWs podem ser dispostos em uma matriz com um afastamento na ordem do comprimento (ou comprimentos) de onda de emissão a partir dos NWs. Ajustando-se os parâmetros de matriz (por exemplo, afastamento) para se conformar às condições de difração específicas, a matriz de NW pode trabalhar como um PC para desempenho melhorado de geração de raios laser.
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40/83 [086] 4.Substrato epitaxial e injetor de corrente. Devido a sua alta condutância elétrica e térmica, grafeno pode ser usado tanto como substrato epitaxial para o desenvolvimento de NW quanto como um injetor de corrente eficiente.
[087] 5. A invenção permite que NWs (por exemplo, uma matriz de NW) sejam dispostos (por exemplo, fabricados) em qualquer DBR (mesmo um DBR de óxido isolante produzido em vidro) ou em um espelho de metal.
[088] 6.Contato transparente. Visto que grafeno é transparente para todos os comprimentos de onda, o grafeno pode permitir transmissão de luz alta de IR a UV profundo, minimizando, desse modo, perda de absorção do espelho no lado de substrato.
Substrato para desenvolvimento de nanofio [089] O substrato usado para desenvolver NWs é um substrato grafítico, mais especialmente o mesmo é grafeno.
[090] Como usado no presente documento, o termo grafeno se refere a uma folha plana de átomos de carbono ligados a sp2 que são densamente acondicionados em um reticulado de cristal alveolar (hexagonal) . Esse substrato grafítico deve, preferencialmente, não deve ter de mais do que 20 nm de espessura. Idealmente, o mesmo deve conter não mais do que 10 camadas de grafeno ou seus derivados, preferencialmente, não mais do que 5 camadas (o qual é
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41/83 chamado de grafeno de poucas camadas). De modo especialmente preferencial, o mesmo é uma folha plana de um átomo de espessura de grafeno.
[091] A forma cristalina ou de floco de grafite consiste em muitas folhas de grafeno empilhadas juntas (isto é, mais do que 10 folhas) . Por substrato grafítico, portanto, entende-se um que é formado de uma ou uma pluralidade de folhas de grafeno.
[092] É preferencial que o substrato em geral tenha 20 nm de espessura ou menos. Folhas de grafeno empilham para formar grafite com um espaçamento interplanar de 0,335 nm. O substrato grafítico preferencial compreende apenas poucas dessas camadas e pode, idealmente, ter menos do que 10 nm de espessura. Ainda mais preferencialmente, o substrato grafítico pode ter 5 nm ou menos de espessura. A área do substrato em geral não é limitada. Essa pode ser de até 0,5 mm2 ou mais, por exemplo, até 5 mm2 ou mais tal como até 10 cm2. A área do substrato é, portanto, limitada apenas por aspectos práticos.
[093] Alternativamente, o substrato grafítico podería ser desenvolvido em um filme de Ni ou folha de Cu com o uso de um método de deposição de vapor químico (CVD). O substrato podería ser um substrato de grafeno desenvolvido por CVD em filmes metálicos ou folhas produzidas de, por exemplo, Cu, Ni ou Pt.
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42/83 [094] Essas camadas grafiticas desenvolvidas por CVD podem ser esfoliadas quimicamente da folha metal tal como um filme de Ni ou Cu por corrosão ou por um método de delaminação eletroquímica. As camadas grafiticas após esfoliação são, então, transferidas e depositadas para a portadora de apoio para desenvolvimento de NW. Durante a esfoliação e transferência, feixe de elétron resistente ou fotorresistente pode ser usado para apoiar as camadas de grafeno finas. Esses materiais de apoio podem ser facilmente removidos por acetona após a deposição.
[095] Em alguns casos de vidro de grafeno podem ser preferenciais como um substrato (e camada espaçadora transparente). Vidro de grafeno é produzido através de formação direta de grafeno sobre substratos de vidro com o uso de CVD. O uso de vidro de grafeno evita procedimentos de transferência tediosos e inconvenientes. Desenvolvendo-se grafeno diretamente em vidro evita-se procedimentos em que
grafeno é desenvolvido em folhas de metal e, então,
transferido para vidro.
[096] Embora seja preferencial que o substrato
grafítico seja usado sem modificação, a superfície do
substrato grafítico pode ser modificada. Por exemplo, a mesma pode ser tratada com plasma de hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, NO2 ou suas combinações. Oxidação do substrato podería reforçar nucleação de NW. Também pode ser
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43/83 preferencial pré-tratar o substrato, por exemplo, para assegurar pureza antes do desenvolvimento de NW. Tratamento com um ácido forte tal como HF ou BOE é uma opção. Substratos poderíam ser lavados com isopropanol, acetona, ou n-metil2-pirrolidona para eliminar impurezas de superfície.
[097] A superfície grafítica limpa pode ser modificada adicionalmente por dopagem. Átomos ou moléculas dopantes podem atuar como uma semente para desenvolver NWs. Uma solução de FeCls, AuCls ou GaCls podería ser usada em uma etapa de dopagem.
[098] As camadas grafíticas, mais preferencialmente, grafeno, são bem conhecidas por suas propriedades ópticas, elétricas, térmicas e mecânicas superiores. As mesmas são muito finas mas muito fortes, leves, flexíveis e impermeáveis. Acima de tudo, na presente invenção as mesmas são altamente condutoras elétrica e termicamente, e transparentes. Comparado a outros condutores transparentes tais como ITO, ZnO/Ag/ZnO, ZnO dopado com Al e TiCc/Ag/TiCc os quais são usados comercialmente hoje, o grafeno tem se provado ser muito mais transparente (por exemplo, até mesmo > 92% de transmitância na faixa espectral de UV de 200 a 400 nm) e condutor (resistência de folha < 1.000 OhrnlZE1 para 1 nm de espessura) .
Apoio para substrato grafítico [099] O substrato grafítico pode precisar ser
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44/83 suportado a fim de permitir o desenvolvimento dos NWs sobre o mesmo. Também é importante que o dispositivo contenha pelo menos um DBR ou espelho de metal a fim de refletir a luz (por exemplo, luz de laser) gerada no dispositivo. Em uso, portanto, tem que haver um refletor de Bragg ou espelho de metal, tipicamente, adjacente e paralelo ao substrato grafítico em uma superfície oposta aos NWs em desenvolvimento. Como a camada grafítica é altamente transparente, o DBR ou espelho de metal pode ainda realizar sua função sem muita perda de reflexão.
[100] O DBR ou espelho de metal na base do dispositivo adjacente à camada grafítica é, tipicamente, projetado para refletir completamente luz, por exemplo, um refletor de luz essencialmente 100%.
[101] Um DBR ou espelho de metal também é usado, preferencialmente, no topo do dispositivo, paralelo à camada de grafeno mas separado da mesma pelos NWs. Esse refletor não pode ser um refletor 100% visto que alguma luz é emitida na forma do laser a partir do topo do dispositivo .Será reconhecido que o DBR ou espelhos de metal podem ser comutados para que a luz seja emitida em qualquer direção (mas paralela aos NWs).
[102] Se, portanto, o DBR ou espelho de metal pode tolerar as condições de desenvolvimento de NW, então, convenientemente, o mesmo pode atuar como um apoio para o
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45/83 substrato grafítico durante desenvolvimento. Alternativamente, os NWs são desenvolvidos em grafeno apoiado em primeiro lugar e, então, o grafeno/NWs são delaminados do apoio e colocados no DBR/espelho de metal posteriormente.
[103] Em outra modalidade, pode haver uma camada espaçadora transparente (por exemplo, vidro ou silica fundida) entre o DBR e o substrato grafítico para ajustar o comprimento da cavidade ou refletividade da pilha camada grafítica/camada espaçadora/DBR. A camada espaçadora transparente pode atuar, portanto, como o apoio para o grafeno. Se uma camada espaçadora transparente estiver presente, não há contato elétrico entre DBR e camada grafítica. Nessa situação será usual empregar um DBR dielétrico e usar a camada grafítica como o injetor de corrente.
[104] Exemplos de camadas espaçadoras preferenciais incluem camadas transparentes de silica fundida, quartzo fundido, alumina fundida, safira, Si, SiC, GaAs, GaN ou A1N. As pessoas versadas reconhecerão que a escolha de camada espaçadora e sua espessura pode variar dependendo do comprimento de onda de luz a ser emitida pelo dispositivo e da função da camada espaçadora. Algumas camadas podem ser transparentes para um comprimento de onda de luz mas não para outros. Por exemplo, GaAs é transparente para luz de
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46/83 laser IR. 0 uso de vidro de grafeno é preferencial, pelo fato de que o vidro de grafeno fornece tanto substrato grafitico quanto camada espaçadora.
[105] Preferencialmente, entretanto o apoio também contém o DBR. Outra vantagem de usar um apoio transparente é que o mesmo aumenta o tamanho da cavidade. O aumento do tamanho da cavidade dessa forma pode ser usado para mudar o espaçamento de modo longitudinal dentro da cavidade. Se o apoio não contiver uma camada refletora, o apoio pode ser dotado de uma camada refletora para criar, por exemplo, uma estrutura de base de três camadas de camada refletora, camada de apoio, camada grafitica. A camada de apoio tem que ser inerte e transparente nessa modalidade. O apoio também pode ser na sequência camada de apoio/espelho/grafitica e nesse caso o apoio pode não ser transparente.
[106] O termo transparente é usado aqui com o significado de que o apoio permite transmissão de luz, em particular, a luz de laser.
[107] Em teoria, visto que os NWs são desenvolvidos, o apoio pode ser removido (por exemplo, por corrosão) ou o substrato grafitico que porta os NWs pode ser descascado do apoio. Portanto, está dentro do escopo da invenção que os NWs sejam desenvolvidos em uma camada grafitica apoiada, que o apoio seja removido descascando-se o substrato grafitico com os NWs e colocados em um refletor de Bragg ou espelho de
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47/83 metal a fim de preparar o dispositivo da invenção.
Nanofios [108] A fim de preparar NWs de importância comercial, é preferencial que esses se desenvolvam epitaxialmente no substrato. Também é ideal que o desenvolvimento ocorra perpendicular ao substrato e, idealmente, portanto, na direção [0001] (para estrutura de cristal hexagonal) ou na direção [111] (para estrutura de cristal cúbica).
[109] Os presentes inventores determinaram que
desenvolvimento epitaxial em substratos grafíticos é
possível determinando-se uma possível correspondência
reticular entre os átomos no NW semicondutor e os átomos de
carbono na folha de grafeno.
[110] 0 comprimento da ligação carbono-carbono em
camadas de grafeno é cerca de 0,142 nm. Grafite tem geometria de cristal hexagonal. Os presentes inventores constataram previamente que grafite pode fornecer um substrato em que NWs semicondutores podem ser desenvolvidos visto que a divergência reticular entre o material de desenvolvimento de NW e o substrato grafítico pode ser muito baixo.
[111] Os inventores constataram que devido à simetria hexagonal do substrato grafítico e a simetria hexagonal dos átomos de semicondutor nos planos (111) de um nanofio que se desenvolve na direção [111] com uma estrutura
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48/83 de cristal cúbica (ou nos planos (0001) de um desenvolvimento de nanofio na direção [0001] com uma estrutura de cristal hexagonal), uma correspondência reticular pode ser obtida entre os nanofios em desenvolvimento e o substrato. Uma explicação detalhada da ciência aqui pode ser encontrada no documento WO2013/104723.
[112] Sem querer ser limitado pela teoria, devido à simetria hexagonal dos átomos de carbono em camadas grafíticas, e a simetria hexagonal dos átomos nos planos (111) de um NW que se desenvolve na direção [111] com uma estrutura de cristal cúbica (ou nos planos (0001) de um NW que se desenvolve na direção de cristal [0001] com uma estrutura de cristal hexagonal), uma correspondência reticular próxima entre o substrato grafitico e semicondutor pode ser obtida quando os átomos de semicondutor são colocados acima dos átomos de carbono do substrato grafitico, idealmente, em um padrão hexagonal. Essa é uma constatação nova e surpreendente e pode permitir o desenvolvimento epitaxial de NWs em substratos grafíticos.
[113] As disposições hexagonais diferentes dos átomos de semicondutor como descrito no documento WO2013/104723, podem permitir que NWs semicondutores de tais materiais sejam desenvolvidos verticalmente para formar NWs autônomos no topo de um material grafitico com base em carbono fino.
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49/83 [114] Embora seja ideal que não haja divergência reticular entre um NW em desenvolvimento e o substrato, NWs podem acomodar muito mais divergência reticular do que filmes finos, por exemplo. Os NWs da invenção podem ter uma divergência reticular de até cerca de 10% com o substrato e desenvolvimento epitaxial ainda é possível. Idealmente, divergências reticulares devem ser 7,5% ou menos, por exemplo, 5% ou menos.
[115] Para alguns semicondutores como GaN hexagonal (a = 3,189 Â) , AIN hexagonal (a = 3,111 Â) , a divergência reticular é tão pequena (< ~2%) que desenvolvimento excelente desses NWs semicondutores pode ser esperado.
[116] O desenvolvimento de NWs pode ser controlado através de razões de fluxo. Os NWs desenvolvidos na presente invenção podem ter de 250 nm a diversos micrômetros de
comprimento, por exemplo, até 10 micrômetros.
Preferencialmente, os NWs têm pelo menos 1 micrômetro de comprimento. Onde uma pluralidade de NWs é desenvolvida, é preferencial que todos os atendam a essas exigências de dimensão. Idealmente, pelo menos 90% dos NWs desenvolvidos em um substrato terão pelo menos 1 micrômetro de comprimento.
De modo preferencial, substancialmente todos os NWs terão
pelo menos 1 micrômetro de comprimento.
[117] 0 comprimento dos NWs é importante.
Idealmente esses são desenvolvidos de modo que tenham um
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50/83 comprimento igual a um número inteiro que seja a metade de um múltiplo do comprimento de onda no interior do NW da luz a ser emitida pelo dispositivo de laser. Os NWs também podem ser desenvolvidos de modo que a cavidade óptica de cada NW tenha um comprimento igual a um múltiplo do comprimento de onda da luz a ser emitida pelo NW. A espessura de qualquer camada espaçadora que pode ser fornecida pode ser levada em conta para fornecer uma cavidade óptica de comprimento desej ado.
[118] Além disso, será preferencial que os NWs desenvolvidos tenham as mesmas dimensões, por exemplo, dentro de 10% uns dos outros. Assim, pelo menos 90% (preferencialmente substancialmente todos) dos NWs em um
substrato preferencialmente serão do mesmo diâmetro e/ou do
mesmo comprimento (isto é, dentro de 10% do
diâmetro/comprimento uns dos outros). Essencialmente,
portanto, a pessoa versada está buscando homogeneidade e NWs que sejam substancialmente os mesmos em termos de dimensões.
[119] O comprimento dos NWs é, frequentemente, controlado pela duração de tempo durante o qual o processo de desenvolvimento é executado. Um processo mais longo, tipicamente, leva a um NW (muito) mais longo.
[120] Os NWs têm, tipicamente, um formato de corte transversal hexagonal. O NW pode ter um diâmetro de corte transversal de 25 nm a diversas centenas de nm (isto é sua
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51/83 espessura), por exemplo, 300 nm. Como observado acima, o diâmetro é, idealmente, constante na maior parte do NW. O diâmetro de NW pode ser controlado pela manipulação da razão dos átomos usados para produzir o NW como descrito adicionalmente abaixo.
[121] Além disso, o comprimento e diâmetro dos NWs pode ser afetado pela temperatura em que os mesmos são formados. Temperaturas superiores favorecem razões de aspecto altas (isto é, NWs mais longos e/ou mais finos) . O diâmetro também pode ser controlado manipulando-se o tamanho de abertura do nanofuro da camada de máscara. A pessoa versada é capaz de manipular o processo de desenvolvimento para projetar NWs de dimensões desejadas.
[122] Os NWs da invenção são formados a partir de pelo menos um semicondutor composto de TIT a V. Preferencialmente, os NWs consistem em grupos compostos III a V desenvolvidos como discutido abaixo para gerar uma região de geração de luz em cada NW. Preferencialmente, cada uma das regiões de geração de luz compreende uma heteroestrutura. Haverá mais do que um composto dos grupos III a V diferente presente, mas é preferencial que todos os compostos presentes sejam compostos dos grupos III a V.
[123] Opções de elemento do grupo III são B, Al, Ga, Em e Tl. Opções preferenciais aqui são Ga, Al e Em.
[124] Opções do grupo V são N, P, As, Sb. Todos são
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52/83 preferenciais, especialmente N.
[125] Naturalmente é possível usar mais do que um elemento do grupo III e/ou mais do que um elemento do grupo V. Compostos preferenciais para fabricação de NW incluem AlAs, GaSb, GaP, GaN, A1N, AlGaN, InGaN, AlGalnN, GaAs, GaAsSb, InP, InN, InGaAs, InSb, InAs ou AlGaAs. Compostos com base em Al, Ga e Em em combinação com N são os mais preferenciais. 0 uso de GaN, AlGaN, InGaN, AlInGaN ou A1N é altamente preferencial.
[126] 0 mais preferencial é que os NWs consistam em Ga, Al, Em e N (juntamente com quaisquer átomos de dopagem como discutido abaixo).
[127] Embora o uso de materiais binários seja possível, o uso de NWs ternários nos quais há dois cátions do grupo III com um ânion do grupo V são preferenciais aqui, tal como AlGaN. Os compostos ternários podem, portanto, ser de fórmula XYZ em que X é um elemento do grupo III, Y é um elemento do grupo III diferente de X, e Z é um elemento do grupo V. A razão molar entre X e Y em XYZ é, preferencialmente, 0,1 a 0,9, isto é a fórmula é, preferencialmente, XxYi_xZ em que o subscrito x é 0,1 a 0,9.
[128] Sistemas quaternários também poderíam ser usados e podem ser representados pela fórmula AxBi-xCyDi-y em que A e B são elementos do grupo III diferentes e C e D são elementos do grupo V diferentes. Novamente os subscritos x
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53/83 e y são, tipicamente, 0,1 a 0,9. Outras opções serão claras para a pessoa versada.
[12 9] O desenvolvimento de NWs de GaAs, InGaN, AlGaN e AlInGaN é especialmente preferencial. O comprimento de onda de luz emitida por um dispositivo que contém esses NWs pode ser personalizado manipulando-se o conteúdo de Al, Em e Ga. Alternativamente, o afastamento e/ou diâmetro dos NWs
pode ser variado para mudar a natureza da luz emitida.
Dopagem [130] Os NWs da invenção compreendem uma região de
geração de luz (isto é meio de ganho) . Cada meio de ganho
pode ser usado para gerar luz. Quando os NWs são dispostos
em uma matriz, os mesmos podem ser acoplados oticamente para gerar luz. Como tal, os NWs, idealmente, precisam compreender pelo menos uma heteroestrutura tal como pelo menos uma seção/inserto de lacuna de banda inferior, poço quântico, ponto quântico ou super-reticulado. É altamente preferencial que a região intrínseca da junção p-i-n compreenda pelo menos um poço quântico, ponto quântico ou super-reticulado. Os dispositivos da invenção são, portanto, dotados, preferencialmente, de uma região semicondutora intrínseca não dopada entre uma região de semicondutor tipo p e uma de semicondutor tipo n.
[131] Os NWs podem ser bombeados oticamente ou bombeados eletricamente para excitar/injetar portadores
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54/83 dentro da região de geração de luz.
[132] Em um dispositivo bombeado oticamente, uma região intrínseca pode compreender um meio de ganho ativo heteroestruturado. Frequentemente o meio de ganho pode conter 10 ou mais, tal como 20 ou mais períodos de meio de ganho ativo heteroestruturado, por exemplo, com uma espessura de 100 nm para cada segmento. Após o desenvolvimento do meio de ganho ativo, uma camada de passivação (por exemplo, uma camada de revestimento) pode ser adicionada para passivar a superfície da região de geração de luz e/ou cada heteroestrutura para geração de luz melhorada.
[133] Será reconhecido que um dispositivo bombeado oticamente não precisa compreender dopagem, por exemplo, o mesmo não precisa compreender uma região dopada tipo n e uma dopada tipo p.
[134] Em um dispositivo bombeado eletricamente, a provisão de regiões dopada tipo n e dopada tipo p permite que portadores (isto é, elétrons e/ou furos) sejam injetados de modo mais eficiente na região de geração de luz (por exemplo, região intrínseca que pode compreender uma heteroestrutura quântica). Portadores injetados e/ou portadores excitados, dentro da região de geração de luz podem se recombinar (por exemplo, um par elétron-furo pode se recombinar) para gerar luz, como mencionado previamente.
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55/83
Devido aos efeitos de confinamento de portadora quântica encontrados em heteroestruturas quânticas, heteroestruturas quânticas exibem recombinação de portadora mais eficiente do que material bruto tal como materiais intrínsecos brutos. Materiais brutos, tipicamente, são considerados como tendo nível de energia contínuo. Por outro lado, heteroestruturas quânticas têm, tipicamente, pelo menos um estado de energia distinto.
[135] Dopagem envolve, tipicamente, a introdução de ions de impureza no NW, por exemplo, durante desenvolvimento de MBE ou MOVPE. 0 nível de dopagem pode ser controlado de ~ 1015/cm3 a 102°/cm3. Os NWs podem ser dopados para fornecer regiões dopadas tipo p e/ou regiões dopadas tipo n conforme desejado. Semicondutores dopados são condutores extrínsecos.
[136] Os semicondutores/regiões tipo n(p)têm uma concentração de elétron (furo) maior do que concentração de furo (elétron) por dopagem de um semicondutor intrínseco com impurezas do doador (aceitador).Doador (aceitadores) adequado para compostos III a V podem ser Si (Mg, Be ou Zn).Dopantes podem ser introduzidos durante o processo de desenvolvimento ou por implantação de íon dos NWs após sua formação.
[137] A fim de criar pontos quânticos, poços quânticos ou estruturas super-reticuladas dentro dos NWs, é exigido, em geral, formar camadas de semicondutor muito
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56/83 finas, frequentemente apenas de alguns nanometres de tamanho, dentro do NW bruto. As camadas são tão finas que suas propriedades ópticas e eletrônicas diferem a partir daquelas de camadas mais espessas.
[138] Assim, onde uma heteroestrutura quântica está presente, os NWs da invenção não são formados a partir de um material dos grupos III a V único. Os mesmos são heteroestruturados e, portanto, compreendem pelo menos dois compostos de semicondutores diferentes. Inserindo-se camadas finas de um semicondutor dos grupos III a V secundário na composição de material bruto do NW (a qual tem, preferencialmente, uma lacuna de banda superior à região de lacuna de banda baixa das heteroestruturas quânticas), podese criar um NW com uma heteroestrutura quântica para gerar luz .
[139] A fim de fornecer confinamento quântico, as regiões de lacuna de banda baixa (por exemplo, camadas) das heteroestruturas quânticas precisam, tipicamente, ter um tamanho na ordem do comprimento de onda de De Broglie, como discutido previamente. Por exemplo, uma camada de lacuna de banda baixa de uma heteroestrutura de poço quântico pode ser desenvolvida para ter espessura de poucos nm de espessura (tal como 1 a 20 nm) de modo que os níveis de energia na camada de lacuna de banda baixa se tornem quantizados. Poços quânticos têm confinamento quântico em apenas uma dimensão
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57/83 espacial, enquanto pontos quânticos têm confinamento quântico em todas as três dimensões espaciais. Um superreticulado (isto é, um semicondutor super-reticulado) é uma estrutura periódica de estruturas confinadas quânticas (poços quânticos ou pontos quânticos) em que as camadas de barreira são finas o suficiente (tipicamente poucos nanômetros) para permitir que transporte de portadora por tunelamento ocorra entre os poços quânticos/pontos quânticos. Super-reticulados de período curto também podem ser aplicados para fins de personalização lacuna de banda, graduação da lacuna de banda aumentando-se (diminuindo-se) a espessura de camada de barreira e diminuindose ( aumentando-se ) a espessura de camada de poço ao longo da direção de crescimento para aumentar (diminuir) a lacuna de banda vivenciada pelos portadores de carga. Tais superreticulados de graduação podem, por exemplo, ser usados entre seções de material de lacuna de banda inferior e seções de material de lacuna de banda superior nas regiões dopadas para melhorar a maioria das propriedades de transporte de
portadora entre os dois materiais de lacuna de banda
diferente.
[140] Um ponto quântico podería ser formado com o
uso de uma camada de GaAsSb fina como a região de lacuna de
banda baixa e camadas de GaAs como a região de lacuna de banda alta (portanto, nesse caso, as camadas de GaAs atuam
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58/83 como regiões de barreira) . Os NWs da invenção podem ser desenvolvidos para ter uma forma heteroestruturada radial ou axialmente. Por exemplo, para um NW heteroestruturado axial, junção p-n pode ser formada axialmente desenvolvendo-se um núcleo dopado tipo p primeiro, e, em seguida, continuandose com um núcleo dopado tipo n (ou vice versa) .Uma região intrínseca pode ser posicionada entre núcleos dopados para um NW p-i-n. Heteroestruturas ou heteroestruturas quânticas podem ser introduzidas na região intrínseca variando-se os elementos alimentados durante o processo de desenvolvimento.
Para um NW heteroestruturado radialmente, a junção p-i-n pode ser formada radialmente desenvolvendo-se o núcleo de NW tipo p dopado primeiro, em seguida, um revestimento intrínseco e, em seguida, o revestimento semicondutor dopado tipo n é desenvolvido (ou vice versa).Heteroestruturas quânticas podem ser introduzidas na região intrínseca variando-se os elementos alimentados durante o processo de desenvolvimento.
[141] Em um NW p-i-n, quando portadores de carga são injetados nas respectivas regiões pen, os mesmos se recombinam na região i, e essa recombinação gera luz, como discutido previamente.
[142] Em uma modalidade preferencial para fornecer luz UV (por exemplo, luz de laser) , o NW pode compreender uma estrutura p-i-n. A região i podería consistir em AlxGai_
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59/83 xN/AlyGai-yN (x > y) múltiplos poços quânticos/pontos quânticos ou uma estrutura super-reticulada. A região p podería incluir/compreender uma camada de bloqueio de elétron (barreiras únicas ou múltiplas na banda de condução) para impedir o transbordamento de portadores minoritários (elétrons) na região p. A região n podería incluir/compreender uma camada de bloqueio de furo (barreiras únicas ou múltiplas na banda de valência) para impedir o transbordamento de portadores minoritários (furos) na região n.
[143] Portanto, é uma modalidade preferencial que o NW seja dotado de uma heteroestrutura quântica (por exemplo, múltiplos poços quânticos/pontos quânticos/superreticulados). Portanto, é uma modalidade preferencial que o NW seja dotado de uma camada de bloqueio de elétron ou/e uma camada de bloqueio de furo.
Desenvolvimento [144] Os NWs da invenção preferencialmente se desenvolvem epitaxialmente. Os mesmos se fixam ao substrato subjacente através de ligação covalente, iônica ou equivalente a van der Waals. Consequentemente, na junção do substrato e da base do NW, planos de cristal são formados epitaxialmente dentro do NW. Esses se acumulam, um sobre o outro, na mesma direção cristalográfica permitindo, desse modo, o desenvolvimento epitaxial do NW. Preferencialmente,
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60/83 os NWs se desenvolvem verticalmente. O termo verticalmente aqui é usado para sugerir que os NWs se desenvolvem perpendiculares ao substrato. Será reconhecido que em ciência experimental o ângulo de desenvolvimento pode não ser exatamente 90° mas o termo verticalmente implica que os NWs estão dentro de cerca de 10° de vertical/perpendicular, por exemplo, dentro de 5o.Devido ao desenvolvimento epitaxial por meio de ligação covalente, iônica ou equivalente a van der Waals, é esperado que haja um contato próximo entre os NWs e o substrato grafítico. Para reforçar a propriedade de contato adicionalmente, o substrato grafítico pode ser dopado para corresponder os portadores importantes de NWs desenvolvidos.
[145] Devido ao fato de que NWs são desenvolvidos epitaxialmente o que envolve ligação física e química aos substratos em alta temperatura, o contato de fundo é, preferencialmente, ôhmico.
[146] Será reconhecido que o substrato compreende um ou mais NWs, mas, preferencialmente, uma pluralidade de NWs. Preferencialmente, os NWs se desenvolvem aproximadamente paralelos entre si. É preferencial, portanto, que pelo menos 90%, por exemplo, pelo menos 95%, de modo preferencial, substancialmente todos os NWs se desenvolvam na mesma direção a partir do mesmo plano do substrato.
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61/83 [147] Idealmente os NWs desenvolvidos são substancialmente paralelos. Preferencialmente, os NWs se desenvolvem substancialmente perpendiculares ao substrato.
[148] Os NWs da invenção devem, preferencialmente, se desenvolver na direção [0001] ou [111] para NWs com estruturas de cristal hexagonal ou cúbica respectivamente. Se o NW tiver uma estrutura de cristal hexagonal (cúbica), então, a interface (0001) [111] entre o NW e o substrato grafítico representa a superfície a partir da qual o desenvolvimento axial ocorre. Os NWs são, preferencialmente, desenvolvidos por MBE ou MOVPE. No método de MBE, o substrato é dotado de um feixe molecular de cada reagente, por exemplo, um elemento do grupo III e um elemento do grupo V, preferencialmente abastecidos simultaneamente. Um grau superior de controle da nucleação e desenvolvimento dos NWs no substrato grafítico podería ser obtido com a técnica de MBE com o uso de epitaxia de migração melhorada (MEE) ou MBE de camada atômica (ALMBE) em que, por exemplo, os elementos do grupo III e V podem ser abastecidos alternadamente.
[149] Uma técnica preferencial em caso de nitretos é MBE de plasma auxiliado por fonte sólida, no qual elementos muito puros tais como gálio, alumínio, e índio são aquecidos em células de efusão separadas, até que os mesmos comecem a evaporar lentamente. A fonte de nitrogênio de plasma rf é, tipicamente, usada para produzir feixes de baixa energia de
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62/83 átomos de nitrogênio. Os elementos gasosos, então, condensam no substrato, em que os mesmos podem reagir entre si. No exemplo de gálio e nitrogênio, GaN de cristal único é formado. 0 uso do termo feixe implica que átomos evaporados (por exemplo, gálio) e átomos de nitrogênio da fonte de plasma não interagem entre si ou com gases da câmara vácuo até que os mesmos alcancem o substrato.
[150] MBE ocorre em vácuo ultra alto, com uma pressão de fundo de, tipicamente, por volta de 133,32 x 10 10 a 133,32 x 109 Pa (IO10 a 109 Torr) . Isso permite que NWs se desenvolvam epitaxialmente e maximiza desempenho estrutural.
[151] A natureza da luz emitida é uma função das dimensões e geometria das heteroestruturas quânticas na região ativa do NW. A fim de ajustar as várias lacunas de banda nas heteroestruturas quânticas no NW, temperatura e fluxos podem ser usados. (Nanotecnologia 25 (2014) 455201).
[152] No método de MOVPE, o substrato é mantido em um reator no qual o substrato é dotado de um gás portador e um gás de metal orgânico de cada reagente, por exemplo, um precursor de metal orgânico contendo um elemento do grupo III e um precursor de metal orgânico contendo um elemento do grupo V. Os gases portadores típicos são hidrogênio, nitrogênio, ou uma mistura dos dois. Um grau superior de controle da nucleação e desenvolvimento dos NWs no substrato
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63/83 grafítico pode ser obtido com a técnica de MOVPE com o uso de técnica de desenvolvimento de camada pulsado, em que por exemplo, os elementos do grupo III e V podem ser abastecidos alternadamente.
Desenvolvimento posicionado de nanofios [153] Os NWs da invenção são, preferencialmente, desenvolvidos posicionados. Esse método pode exigir uma máscara com padrões de nanofuros depositados nas camadas grafíticas.
[154] A fim de preparar uma matriz mais regular de NWs com melhor homogeneidade em altura e diâmetro de NWs desenvolvidos, os inventores consideram o uso de uma máscara no substrato. Essa máscara pode ser dotada de furos regulares, em que os NWs podem se desenvolver de modo homogêneo em tamanho em uma matriz regular através do substrato. Os padrões de furo na máscara podem ser fabricados facilmente com o uso de litografia ou nanoimpressão de foto/feixe de elétrons convencional. A tecnologia feixe de ions focada também pode ser usada a fim de criar uma matriz regular de locais de nucleação na superfície grafítica para o desenvolvimento de NW.
[155] Assim uma máscara pode ser aplicada ao substrato e corroída com furos que expõem a superfície do substrato, opcionalmente, em um padrão regular. Além disso, o tamanho e o afastamento dos furos podem ser cuidadosamente
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64/83 controlados. Dispondo-se os furos de modo regular, um padrão regular de NWs pode ser desenvolvido.
[156] Além disso, o tamanho dos furos pode ser controlado para assegurar que apenas um NW possa se desenvolver em cada furo. Por fim, os furos podem ser produzidos de um tamanho em que o furo seja suficientemente grande para permitir o desenvolvimento de NW. Desse modo, uma matriz regular de NWs pode ser desenvolvida.
[157] Variando-se o tamanho dos furos, poder-se-ia controlar o tamanho do NW. É importante que os furos sejam espaçados adequadamente. Se os furos e, consequentemente, os NWs em desenvolvimento forem espaçado por menos do que o comprimento de onda da luz emitida pelo laser, então, a matriz de NW pode atuar como um cristal fotônico (PC) .Uma matriz de 75 a 150 por 75 a 150 NWs, por exemplo, 100 x 100 NWs é um tamanho possível. Deve ser observado que esses números poderíam variar enormemente dependendo do projeto do dispositivo.
[158] O material de máscara pode ser qualquer material que não danifique o substrato subjacente quando depositado. A máscara também pode ser transparente à luz de laser. O tamanho de furo mínimo podería ser 50 nm, preferencialmente, pelo menos 100 a 200 nm. A espessura da máscara pode ser 10 a 100 nm, tal como 10 a 40 nm.
[159] A própria máscara pode ser produzida de um
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65/83 composto inerte, tal como dióxido de silício ou nitreto de silício. Em particular, a máscara com padrão de furo compreende pelo menos um material isolante tal como S1O2, SÍ3N4, HfC>2, T1O2 ou AI2O3, por exemplo, depositado por evaporação de feixe de elétrons, CVD, CVD melhorado por plasma (PE-CVD), deposição catódica ou deposição de camada atômica (ALD). A máscara pode, portanto, ser fornecida na superfície de substrato por qualquer técnica conveniente tal como por deposição de feixe de elétron, CVD, PE-CVD, deposição catódica e ALD.
[160] O uso de uma máscara de Ti que é nitretada/oxidada antes do desenvolvimento de NW, é particularmente preferencial como visto que foi constatado que essa máscara permite o desenvolvimento de NWs uniformes (por exemplo, consultar J. Crystal Growth 311 (2009) 2063 a 68) .
[161] O desenvolvimento posicionado com o uso de máscaras com padrão de furo produz NWs de comprimento e diâmetro uniformes em posições predefinidas. Os NWs também podem ser desenvolvidos sem máscara com padrões de nanofuros. Nesse caso, os NWs terão tamanhos não uniformes (comprimento e diâmetro), e estarão localizados em posições aleatórias. Em uma modalidade, é preferencial que nenhuma máscara seja usada para desenvolver os NWs da invenção. Além disso, os presentes inventores constataram que a densidade de NW pode
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66/83 ser maximizada na ausência de uma máscara. Densidades de NW de pelo menos 20 NWs por micrômetro quadrado são possíveis, tal como pelo menos 25 NWs por micrômetro quadrado. Essas densidades de NW muito altas são associadas particularmente com NWs de GaN, InGaN ou AlGaN.
[162] Para o desenvolvimento de NW, a temperatura de substrato grafítico pode, então, ser definida para uma temperatura adequada para o desenvolvimento do NW em questão. A temperatura de desenvolvimento pode estar na faixa de 300 a 1.200°C. A temperatura empregada é, entretanto, específica à natureza do material no NW e ao método de desenvolvimento. Para GaN desenvolvido por MBE, uma temperatura preferencial é 700 a 950°C, por exemplo, 750 a 900°C, tal como 760°C. Para AlGaN a faixa é levemente superior, por exemplo, 800 a 1100°C, tal como 830 a 950°C, por exemplo, 840°C.
[163] Será reconhecido, portanto, que os NWs podem compreender semicondutores de grupos III a V diferentes dentro do NW, por exemplo, iniciando com uma origem de GaN seguida por um componente de AlGaN ou componente de AlGalnN e assim por diante.
[164] O desenvolvimento de GaN de NW em MBE pode ser iniciado abrindo-se o obturador da célula de efusão de Ga, da célula de plasma de nitrogênio e da célula dopante iniciando simultaneamente o desenvolvimento de NWs de GaN dopados, aqui chamados como origem. O comprimento do GaN de
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67/83 origem pode ser mantido entre 5 nm a diversas 100s de nanômetros. Posteriormente, poder-se-ia aumentar a temperatura do substrato se necessário, e abrir-se o obturador de Al para iniciar o desenvolvimento de NWs de AlGaN. Poder-se-ia iniciar o desenvolvimento de NWs de AlGaN em camadas grafíticas sem o desenvolvimento de GaN de origem. NWs dopados tipo n e p podem ser obtidos abrindo-se o obturador da célula dopante tipo n e da célula dopante tipo p, respectivamente, durante o desenvolvimento de NW. Por exemplo, célula dopante de Si para dopagem de tipo n de NWs, e célula dopante de Mg para dopagem de tipo p de NWs.
[165] Esse processo pode ser adaptado para o desenvolvimento de outros NWs de grupos III a V com dopagem adequada.
[166] A temperatura das células efusão pode ser usada para controlar a taxa de desenvolvimento. Taxas de desenvolvimento convenientes, como medidas durante desenvolvimento plano convencional (camada a camada), são 0,05 a 2 pm por hora, por exemplo, 0,5 pm por hora. A pressão dos feixes moleculares também pode ser ajustada dependendo da natureza do NW que está sendo desenvolvido. Níveis adequados para pressões equivalentes de feixe estão entre 133,32 x 10~9 a 133,32 xl0~4 Pa (1 x 1CT7 e 1 x 10~4 Torr) .
[167] A razão de fluxo de feixe entre reagentes (por exemplo, átomos de grupo III e moléculas de grupo V) pode
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68/83 ser variada, sendo que a razão fluxo preferencial depende de outros parâmetros de desenvolvimento e da natureza do NW que está sendo desenvolvido. No caso de nitretos, NWs de nitreto III são sempre desenvolvidos sob condições ricas em nitrogênio.
[168] Portanto, é uma modalidade da invenção empregar um procedimento de desenvolvimento de múltiplas etapas, tal como duas etapas, por exemplo, para otimizar separadamente a nucleação de NW e o desenvolvimento de NW.
[169] Um benefício significativo de MBE é que o NW em desenvolvimento pode ser analisado in sítu, por exemplo, com o uso de difração de elétron de alta energia de reflexão (RHEED). RHEED é uma técnica usada, tipicamente, para caracterizar os materiais de superfície de cristalina. Essa tecnologia não pode ser aplicada tão prontamente onde NWs são formados por outras técnicas tais como MOVPE.
[170] Um benefício significativo de MOVPE é que os NWs podem ser desenvolvidos em uma taxa de desenvolvimento muito mais rápida. Esse método favorece o desenvolvimento de NWs e microfios de heteroestrutura radial, por exemplo,: núcleo de GaN dopado tipo n com revestimento que consiste em múltiplos poços quânticos (MQW) de A1N/A1(Em)GaN intrínsecos, camada de bloqueio de elétron (EBL) de AlGaN, e revestimento de (Al)GaN dopado tipo p. Esse método também permite o desenvolvimento de NW heteroestruturado axial com
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69/83 o uso de técnicas tais como técnica de desenvolvimento pulsado ou modo de desenvolvimento contínuo com parâmetros de desenvolvimento modificados para, por exemplo, razão molar V/III inferior e temperatura do substrato superior.
[171] Em mais detalhes, o reator tem que ser evacuado após colocar a amostra, e ser purgado com N2 para remover oxigênio e água no reator. Isso é para evitar qualquer dano ao grafeno nas temperaturas de desenvolvimento, e para evitar reações indesejadas de oxigênio e água com os precursores. A pressão total é definida entre 6,67 e 53,33 kPa (50 e 400 Torr). Após purgar o reator com N2, o substrato é limpo termicamente sob atmosfera de H2 em uma temperatura do substrato de cerca de 1.200°C. A temperatura do substrato pode, então, ser definida para uma temperatura adequada para o desenvolvimento do NW em questão. A temperatura de desenvolvimento pode ser na faixa 700 a l,200°C. A temperatura empregada é, entretanto, específica para a natureza do material no NW. Para GaN, uma temperatura preferencial é 800 a 1.150°C, por exemplo, 900 a 1100°C, tal como 1100°C. Para AlGaN a faixa é levemente superior, por exemplo, 900 a 1.250°C, tal como 1.050 a 1.250°C, por exemplo, 1.250°C.
[172] Os precursores orgânicos de metal podem ser trimetilgálio (TMGa) ou trietilgálio (TEGa) para Ga, trimetilalumínio (TMA1) ou trietilalumínio (TEA1) para Al,
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70/83 e trimetilindio (TMIn) ou trietilindio (TEIn) para Em. Os precursores para dopantes podem ser S1H4 para silício e bis (ciclopentadienil) magnésio (Cp2Mg) ou bis(metilciclopentadienil) magnésio ((MeCpHMg) para Mg. A vazão de TMGa, TMA1 e TMIn pode ser mantida entre 5 e 100 seem. A vazão de NH3 pode ser variada entre 5 e 150 seem.
[173] Em particular, 0 simples uso de desenvolvimento vapor-sólido pode permitir o desenvolvimento de NW. Assim, no contexto de MBE, aplicação simples dos reagentes, por exemplo, Em e N, ao substrato sem qualquer catalisador pode resultar na formação de um NW. Isso forma um aspecto adicional da invenção que, portanto, fornece o desenvolvimento direto de um semicondutor NW formado a partir dos elementos descritos acima em um substrato grafítico. O termo direto implica, portanto, na ausência de um catalisador para permitir o desenvolvimento.
[174] As ditas regiões podem ser representadas por camadas dentro de um NW ou revestimentos em um núcleo para criar o NW. Assim, a invenção fornece adicionalmente uma pluralidade de NWs de grupos TIT a V radiais desenvolvidos epitaxialmente em um substrato grafítico que compreende, nessa ordem, um núcleo dopado tipo n com revestimento que compreende um poço quântico/ponto quântico/super-reticulado múltiplo intrínseco, uma camada de bloqueio de elétron (EBL) e revestimento dopado tipo p. A região dopada tipo n podería
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71/83 incluir/compreender uma camada de bloqueio de furo (barreiras únicas ou múltiplas na banda de valência) para impedir o transbordamento de portadores de carga de minoria (furos) para a região dopada tipo n.
Refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal [175] 0 dispositivo de laser da invenção compreende pelo menos um, preferencialmente dois refletores de Bragg distribuídos (DBRs) ou espelhos de metal. Os DBRs ou espelhos de metal definem a cavidade ressonante (os NWs) e o dispositivo é definido por um espelho DBR ou espelho de metal altamente refletivo em uma extremidade, preferencialmente, um DBR ou espelho de metal de refletividade inferior na outra extremidade dos NWs. Idealmente, o DBR ou espelho de metal de refletividade superior é posicionado adjacente à camada grafitica.
[17 6] Dentro da cavidade, os NWs compreendem um meio de ganho, em que corrente é injetada para produzir luz, por exemplo, luz de laser que tem um único modo de geração de raios laser espacial. 0 DBR é projetado para refletir apenas em um único modo longitudinal. Como um resultado, o laser opera em um único modo espacial e longitudinal. 0 laser emite, preferencialmente, a partir da faceta de saída oposta ao DBR ou espelho de metal altamente refletivo.
[177] DBRs são ajustáveis sobre uma faixa de aproximadamente 2 nm mudando-se corrente ou temperatura.
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72/83 [178] 0 DBR compreende, preferencialmente, camadas alternadas de semicondutores que têm indices de refração diferentes. Cada camada tem, preferencialmente, uma espessura de um quarto do comprimento de onda de laser no material, o que produz refletividades de intensidade acima de 99% para o DBR. Os semicondutores usados são, idealmente, semicondutores dos grupos III a V. índices de refração diferentes podem ser obtidos variando-se os átomos de grupo III ou grupo V presentes em cada camada.
[179] 0 refletor de Bragg distribuído compreende, preferencialmente, uma pluralidade de camadas de semicondutor, preferencialmente camadas de semicondutor dos grupos III a V. 0 DBR semicondutor tem que ter 2 semicondutores de grupos III a V diferentes, por exemplo, GaAs e AlAs.
[180] Camadas adjacentes têm um índice de refração diferente. Tipicamente cada DBR pode conter 8 a 40 camadas, tal como 10 a 35 camadas. Cada camada pode ter 5 a 200 nm de espessura, tal como 10 a 100 nm de espessura. As camadas, idealmente, refletem o índice de refração da camada em questão. Assim, cada camada pode ser 250 nm/índice de refração da camada. Como índices de refração típicos são por volta de 3 a 4, a espessura da camada pode ser 60 nm ou similar.
[181] Um refletor de Bragg distribuído preferencial
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73/83 para um laser de GaAsSb compreende camadas alternadas de GaAs e Al(Ga)As. 0 DBR pode compreender uma pluralidade de camadas de GaAs posicionadas entre duas camadas de AlAs. Os refletores de Bragg distribuídos têm que refletir e não absorver luz e, consequentemente, sua lacuna de banda deve ser superior àquela equivalente ao comprimento de onda de luz gerado no NW.
[182] 0 DBR tem que ser ajustado à luz do NW, por exemplo, luz de laser gerada no NW. Como a luz se reflete para cima e para baixo do NW, a intensidade é amplificada. Visto que o limiar de geração de raios laser seja obtido, emissão de luz coerente é liberada. Cada NW emitirá laser com um comprimento de onda particular.
[183] Em VCSELs comuns, os DBRs superiores e inferiores são dopados como materiais tipo p e tipo n, formando uma junção de diodo. Também será preferencial que os refletores de Bragg distribuídos nesse caso sejam dopados. Os materiais de dopagem usados podem ser aqueles discutidos acima em conexão com os NWs.
[184] 0 DBR também pode ser dielétrico. 0 DBR pode compreender camadas alternadas de materiais dielétricos que tenham índices de refração diferentes. Os pares de Bragg dielétricos poderíam ser, por exemplo, T1O2 (índice de refração por volta de 2,5) e silica (índice de refração por volta de 1,5). Outros materiais comuns em DBRs dielétricos
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74/83 são fluoreto de magnésio, pentóxido de tântalo (n = 2,275) e sulfeto de zinco (n = 2,32) . As temperaturas de fusão de materiais dielétricos típicos usados em DBRs são altas.
[185] Como uma alternativa a um refletor de Bragg distribuído no fundo e/ou topo do dispositivo, uma camada refletiva metálica podería ser usada, por exemplo, com base em Al. Espelhos de alta refletividade são exigidos em VCSELs para equilibrar o comprimento axial curto do meio de ganho.
[186] Essa camada metálica pode compreender alumínio, ouro, prata, cromo ou ródio. Preferencialmente, o refletor é disposto para retroalimentar luz que emerge do NW de volta para o NW.
[187] Em uma modalidade pode ser possível se desenvolver um refletor de Bragg distribuído dentro do próprio NW real.
[188] Em uma modalidade, é possível corroer a camada grafítica e refletor de Bragg distribuído para criar ilhas de NWs ou NWs individuais em uma estrutura de base.
Enchimento [189] Está dentro do escopo da invenção usar um enchimento para circundar a montagem em que o enchimento pode ser transparente para a emissão de luz. 0 enchimento pode estar presente no espaço entre NWs e/ou em volta da montagem como um todo. Enchimentos diferentes podem ser usados nos espaços entre os NWs em vez de na montagem como
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75/83 um todo. 0 enchimento pode compreender um material semicondutor que tem uma lacuna de banda superior aos materiais do NW. Alternativamente o enchimento pode compreender um polímero e/ou uma resina.
Dispositivo [190] O dispositivo da invenção pode conter uma matriz de 100 por 100 NWs. Uma matriz densa de NWs deve reforçar a potência do dispositivo. O afastamento de matriz de NW pode ser ajustado para atuar como um cristal fotônico (PC) para desempenho melhorado. O diâmetro de NW é, idealmente, projetado para confinar um único modo óptico, preferencialmente o modo fundamental. 0 mesmo pode emitir no espectro de UV, IR ou visível, especialmente UV.
[191] VCSELs em geral têm muitas aplicações, das
quais as mais importantes são discutidas a seguir.
[192] Devido ao tempo de ida e volta curto do
ressonador, VCSELs podem ser modulados com frequências bem
na faixa de gigahertz. Isso os torna úteis como transmissores para comunicações ópticas. Alguns VCSELs são usados em mouse laser de computador visto que um VCSEL como fonte de luz pode ter uma alta precisão de rastreamento combinada com um baixo consumo de eletricidade.
[193] Outro campo proeminente de aplicação é detecção de gás com VCSELs de comprimento de onda ajustável. VCSELs também podem ser usados em relógios ópticos em
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76/83 miniatura, em que o feixe laser sonda uma transição atômica em vapor de césio. Tais relógios poderíam fazer parte de dispositivos de GPS compactos.
[194] Embora a invenção seja descrita com referência a lasers de cavidade vertical, é previsto que o mesmo dispositivo podería ser adaptado para uso como um RCLED. 0 dispositivo atuará como um RCLED se o nível excitação estiver abaixo do limiar de geração de raios laser. Em um RCLED, emissão espontânea é gerada em um ressonador de Fabry-Pérot (FP) de múltiplas camadas, no qual efeitos de interferência alteram a distribuição de potência angular interna.
[195] Nesses dispositivos, a camada ativa é embutida em uma cavidade com pelo menos uma dimensão da ordem do comprimento de onda da luz emitida. Sob estas circunstâncias, o próprio processo de emissão espontânea é modificado, de modo que a emissão interna não é mais isotrópica.
Breve descrição das figuras [196] A Figura 1 sumariza o processo de fabricação de um dispositivo de laser NW/grafeno/DBR integrado ou RCLED. Devido ao acoplamento coerente entre DBR, NWs e espelho de topo de NW de alta refletividade, um laser de emissão de superfície de cavidade vertical à base de NW (VCSEL) será demonstrado com a meta final de alcançar corrente de limiar
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77/83 baixo e emissão de luz de alta eficiência. Propriedades de PC de emissão de superfície também podem ser desenvolvidas ajustando-se o diâmetro de NW e o tamanho de afastamento entre os NWs. 0 DBR pode ser produzido de múltiplas camadas de filmes finos desenvolvidos por MBE (por exemplo, GaAs/AlAs), em que orientação de cristal é, em geral, (100). Outro tipo de DBR pode ser fabricado com camadas isolantes. Entretanto, tais filmes finos com orientação de cristal de (100) ou camadas isolantes não podem ser usados para desenvolvimento vertical de NW. Esse problema pode ser solucionado com o uso de grafeno como uma camada de amortecimento. Além disso, o grafeno pode ser usado como um portador de camada de injeção devido a sua alta condutividade e transparência.
[197] Na Figura 1(a) é fornecido um DBR sobre o qual é colocada uma camada de grafeno (Figura b). Posteriormente camada de máscara pode ser aplicada e corroída para formar furos para desenvolvimento de NW posicionado (Figura c).
[198] NWs são desenvolvidos nos furos de modo que uma região dopada tipo n seja produzida primeiro seguida pela região i e região dopada tipo p (Figura d). Uma camada refletiva de topo pode, então, ser aplicada tal como uma camada de metal Al (isto é, um espelho de metal) . A região intrínseca pode compreender uma série de heteroestruturas quânticas (por exemplo, poços quânticos/pontos quânticos ou
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78/83 um super-reticulado).
[199] Opcionalmente, a camada de grafeno e refletor de Bragg podem ser corroídos para criar lasers de NW individuais (f).
[200] Lasers de NW bombeados tanto elétrica quanto oticamente são projetados com heteroestruturas axiais (Figura 2 (a,b)) ou radiais (Figura 2(c)) de materiais de lacuna de banda inferior e superior para reforçar o ganho para geração de raios laser. Um método de vapor-liquidosólido autocatalisado será usado para desenvolver lasers de NW à base de GaAs em grafeno, por exemplo, GaAs com insertos/poços de InGaAs ou insertos/poços de GaAsSb, e o método livre de catalisador será usado para o desenvolvimento de lasers de NW à base de III-N em grafeno, por exemplo, NWs de AlGaN com insertos/poços de GaN ou insertos/poços de InGaN. Além disso, um DBR de alta qualidade, por exemplo, com pares de Bragg de AlAs/GaAs ou AlN/GaN, será desenvolvido por MBE ou MOCVD, para o qual grafeno (por exemplo, camada única ou camada dupla) será transferido para desenvolvimento subsequente do laser de NW ou RCLED.
[201] A Figura 3 descreve uma estrutura e espectros de laser de um único laser de NW heteroestruturado de GaAsSb/GaAs. O laser de NW consiste em segmentos periódicos de GaAsSb e GaAs. Por bombeamento óptico, o NW emite laser próximo a IR e provoca uma interferência padrão como mostrado
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79/83 na Figura 3 (b) . Ajustando-se a composição e estrutura, o laser de NW heteroestruturado de GaAsSb/GaAs pode emitir laser que cobre uma faixa ampla de comprimentos de onda como mostrado na Figura 3(c).
[202] Na Figura 4(a), um DBR ou espelho de metal de fundo é dotado de uma camada intermediária transparente tal como uma camada de silica sobre a qual está localizada a camada de grafeno. Essa disposição permite o ajuste de refletividade e/ou proteção (cobertura) de, por exemplo, DBR de GaAs/Al(Ga) As durante desenvolvimento epitaxial adicional (em alta temperatura) de NWs no grafeno.
[203] Na Figura 4(b), o DBR está localizado no topo dos NWs com um apoio de silica transparente, por exemplo, silica fundida, ou outro apoio transparente que é usado para portar a camada de grafeno. Opcionalmente vidro de grafeno pode ser usado como substrato e apoio combinados.
[204] A Figura 4(c) mostra uma opção alternativa para a estrutura exibida na Figura 4(a), em que o grafeno e a camada intermediária transparente são substituídos por vidro de grafeno que também pode fornecer apoio durante o desenvolvimento de NW. O DBR ou espelho de metal de fundo pode ser fornecido após o desenvolvimento de NW.
[205] Na Figura 4(d), o vidro apoia o DBR.
[206] A Figura 5(a) apresenta o esquemático de uma estrutura de NW/grafeno/DBR desenvolvida. Antes do
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80/83 desenvolvimento de NW, flocos de grafeno esfoliados foram colocados no topo do refletor DBR, como retratado na imagem óptica da Figura 5(b). A Figura 5(c) mostra uma imagem de SEM inclinada 30° de um NW super-reticulado à base de GaAsSb de 7 pm de comprimento desenvolvido epitaxialmente perpendicular no floco de grafeno minúsculo circulado em vermelho e marcado como C na Figura 5 (b) . A refletividade normalizada medida da estrutura de DBR de GaAs/AlAs é mostrada como a curva azul na Figura 5(d) , a qual contém um patamar de alta refletividade por volta de 890 a 990 nm e margens de refletância fora do patamar. Exercendo-se excitação óptica, fotoluminescência é observada a partir do NW de super-reticulado à base de GaAsSb com modos de FabryPérot, a qual é marcada por linhas tracejadas vermelhas verticais. O espaçamento entre os modos de Fabry-Pérot é por volta de 11,6 nm, o que corresponde a um espaçamento de energia de δΕ= 16 meV por volta de 950 nm. Isso correlaciona bem ao valor teórico de 16,7 meV encontrado para o modo TE01 esperado com o uso de ngrupo=5,35 encontrado a partir de cálculos com base em simulações de FDTD.
[207] O NW é desenvolvido na direção de cristal [111], e perpendicular à superfície grafítica, enquanto o DBR de GaAs/AlAs (filme fino) é desenvolvido na direção de cristal [001] em um tipo n pastilha de GaAs(001).
Exemplo 1
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81/83
Lasers de nw heteroestruturados axiais de aln/algan/gan bombeados eletricamente (rcleds) em grafeno/dbr:
[208] NWs à base de GaN com meio de ganho ativo heteroestruturado quântico axial de AlN/AlGaN são desenvolvidos em um DBR dielétrico (por exemplo, um DBR com pares de Bragg de S1O2 (n=l,5) e T1O2 (n=2,5)) com amortecimento de grafeno. O segmento de NW de GaN dopado n pesadamente é desenvolvido de modo epitaxial diretamente na estrutura de grafeno/DBR, o que é seguido pelo desenvolvimento de um segmento de A1N dopado n pesadamente, 5 períodos de meio de ganho ativo heteroestruturado quântico de AlN/AlGaN intrínseco, e um segmento de A1N dopado p. Após o que, um segmento de topo de GaN dopado p é desenvolvido para contato de topo.
Exemplo 2
Lasers de nw heteroestruturados axiais de gaassb/gaas bombeados oticamente em grafeno/dbr:
[209] GaAs intrínseco com meio de ganho ativo
heteroestruturado quântico axial de GaAsSb/GaAs são
desenvolvidos em um DBR de GaAs/AlAs com o uso de um
amortecimento de grafeno. Após a nucleação com o uso de
amortecimento de AlAsSb como origem de nucleação, NWs de
GaAs são desenvolvidos de modo epitaxial diretamente na estrutura de grafeno/DBR, o que é seguido pelo desenvolvimento de 60 períodos de meio de ganho ativo
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82/83 heteroestruturado quântico de GaAsSb/GaAs intrínseco com uma espessura de 100 nm para cada segmento. Após ο desenvolvimento do meio de ganho ativo, um revestimento de AlGaAs com espessura de 15 nm é desenvolvido para passivar a superfície para desempenho de luz melhorado.
Exemplo 3
RCLED de Nw/grafeno/dbr.
[210] Antes do desenvolvimento de NW, flocos de grafeno esfoliados foram colocados no topo de um refletor de DBR de GaAs/AlAs. O DBR de GaAs/AlAs (filme fino) é desenvolvido na direção de cristal [001] em uma pastilha de GaAs(001) tipo η. A refletividade normalizada medida da estrutura de DBR de GaAs/AlAs é mostrada na Figura5 (d) . A mesma contém um patamar de alta refletividade por volta de 890 a 990 nm e margens de refletância fora do patamar.
[211] NWs de super-reticulado à base de GaAsSb de 7 pm de comprimento foram desenvolvidos epitaxialmente perpendiculares na estrutura de grafeno/DBR na direção de cristal [111] .
[212] Exercendo-se excitação óptica, fotoluminescência é observada a partir do NW de superreticulado à base de GaAsSb com modos de Fabry-Pérot, a qual é marcada por linhas tracejadas vermelhas verticais. O espaçamento entre os modos de Fabry-Pérot é por volta de 11,6 nm, o que corresponde a um espaçamento de energia de
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83/83 δΕ= 16 meV por volta de 950 nm. Isso correlaciona bem ao valor teórico de 16,7 meV encontrado para o modo TE01 esperado com o uso de ngrupo=5,35 encontrado a partir de cálculos com base em simulações de FDTD.

Claims (17)

REIVINDICAÇÕES
1. Dispositivo, tal como um dispositivo emissor de luz, por exemplo, um dispositivo de laser, caracterizado pelo fato de que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a
V desenvolvidos em um lado de um substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafítico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafítico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafítico aos ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p e, opcionalmente, uma região intrínseca entre as mesmas.
2, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal está em contato com o lado oposto do dito substrato grafitico.
2/17 um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafitico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafitico aos ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p e, opcionalmente, uma região intrínseca entre as mesmas;
em que pelo menos uma dentre as ditas regiões compreende pelo menos uma heteroestrutura; e opcionalmente, pelo menos uma dentre as ditas regiões compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
2. Dispositivo, tal como um dispositivo emissor de luz, por exemplo, um dispositivo de laser, caracterizado pelo fato de que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a
V desenvolvidos em um lado de um substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafítico;
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3, caracterizado pelo fato de que a dita região intrínseca está presente e compreende pelo menos uma heteroestrutura; preferencialmente pelo menos uma heteroestrutura quântica; e opcionalmente, pelo menos uma dentre as ditas regiões compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
3/17
3, caracterizado pelo fato de que a dita região dopada tipo n ou região dopada tipo p compreende pelo menos uma heteroestrutura; e opcionalmente, pelo menos uma dentre as ditas regiões compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
3. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1 a
4/17 caracterizado pelo fato de que pelo menos uma dentre as ditas regiões compreende pelo menos uma heteroestrutura, preferencialmente a dita região intrínseca compreende pelo menos uma heteroestrutura; e opcionalmente, pelo menos uma dentre as ditas regiões compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
4. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1 a
5/17 luz, por exemplo, um dispositivo de laser, caracterizado pelo fato de que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a
V desenvolvidos em um lado de um substrato grafitico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafitico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafitico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafitico aos ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e opcionalmente, pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
5. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1 a
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6/17 uma camada espaçadora transparente substancialmente paralela e em contato com o lado oposto do dito substrato grafítico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafítico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafítico aos ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e opcionalmente, pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
6. Dispositivo, tal como um dispositivo de laser, caracterizado pelo fato de que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V desenvolvidos em um lado de um substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafítico;
uma camada espaçadora transparente substancialmente paralela e em contato com o lado oposto do dito substrato grafítico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal substancialmente paralelo e em contato com a camada espaçadora transparente;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p e, opcionalmente, uma região intrínseca entre as mesmas.
7/17 um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafitico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafitico aos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p e, opcionalmente, uma região intrínseca entre as mesmas.
17. Dispositivo, tal como um dispositivo emissor de luz, por exemplo, um dispositivo de laser, caracterizado pelo fato de que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V desenvolvidos em um lado de um substrato grafitico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafitico;
um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs;
opcionalmente, um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal posicionado substancialmente paralelo ao dito substrato grafitico e posicionado no lado oposto do dito substrato grafitico aos ditos NWs;
e em que os ditos NWs compreendem pelo menos uma
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7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 6,
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8/17 heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e opcionalmente, pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
18. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 16 ou 17, caracterizado pelo fato de que o dito segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal não está presente;
e em que o dito substrato grafítico é na forma de vidro de grafeno.
19. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 18, caracterizado pelo fato de que luz é emitida (como laser) em uma direção substancialmente paralela e na mesma direção que a direção de crescimento dos NWs ou em que luz é emitida (como laser) em uma direção substancialmente paralela e na direção oposta à direção de crescimento do NW.
20. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 19, caracterizado pelo fato de que o refletor de Bragg distribuído compreende camadas alternadas de semicondutores de grupos III a V diferentes.
21. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado pelo fato de que o refletor de Bragg distribuído compreende camadas alternadas de material (ou materiais) dielétrico.
22. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das
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8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que vidro de grafeno forma a dita camada grafítica e camada espaçadora transparente.
9/17 reivindicações 1 a 21, caracterizado pelo fato de que os ditos NWs compreendem Ga, Em ou Al.
23. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 22, caracterizado pelo fato de que os ditos NWs compreendem As, Sb, P ou N.
24. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 23, caracterizado pelo fato de que os ditos NWs compreendem Ga e/ou Em e/ou Al juntamente com As e/ou Sb e/ou P.
25. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 24, caracterizado pelo fato de que os ditos NWs compreendem Ga e/ou Em e/ou Al juntamente com N.
26. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 25, caracterizado pelo fato de que é um laser.
27. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 26, caracterizado pelo fato de que é um diodo emissor de luz de cavidade ressonante (RCLED).
28. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 15 e 17 a 27, caracterizado pelo fato de que a dita pelo menos uma heteroestrutura é selecionada dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um superreticulado.
29. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 28, caracterizado pelo fato de que a dita
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9. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 2 a 5 ou 7 a 8, caracterizado pelo fato de que a dita heteroestrutura é uma heteroestrutura quântica.
10/17
região intrínseca compreende uma heteroestrutura que consiste em íons de Al e/ou Ga e/ou Em com Sb e/ou As e/ou N. 30 . Dispositivo, de acordo com qualquer uma das
reivindicações 1 a 29, caracterizado pelo fato de que os ditos NWs compreendem uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
31. Processo para a preparação de um dispositivo caracterizado pelo fato de que compreende:
fornecer um substrato grafítico que tem um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal substancialmente paralelo e em um lado do dito substrato grafítico;
desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafítico oposto ao dito DBR ou espelho de metal, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafítico, sendo que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p, opcionalmente, separada por uma região intrínseca (região ativa); e opcionalmente, fornecer um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs.
32. Processo, de acordo com a reivindicação 31,
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10. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 2 a 5 ou 7 a 9, caracterizado pelo fato de que a dita heteroestrutura é selecionada a partir de um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado.
11/17 caracterizado pelo fato de que a dita região intrínseca está presente.
33. Processo, de acordo com a reivindicação 31 ou 32, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma dentre as ditas regiões, tal como a região intrínseca compreende pelo menos uma heteroestrutura selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e sendo que, opcionalmente, pelo menos uma das ditas três regiões de NW compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
34. Processo para a preparação de um dispositivo caracterizado pelo fato de que compreende fornecer um substrato grafítico que tem um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal substancialmente paralelo e em um lado do dito substrato grafítico;
desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafítico oposto ao dito DBR ou espelho de metal, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafítico, sendo que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e
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11. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que os ditos NWs compreendem uma estrutura de NW GaN tipo p/InGaN intrínseca/GaN tipo n.
12/17 em que, opcionalmente, pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo; e opcionalmente, fornecer um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs.
35. Processo para a preparação de um dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 31 a 34, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal está substancialmente paralelo e em contato com o dito substrato grafítico.
36. Processo para a preparação de um dispositivo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende:
fornecer um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com uma camada espaçadora transparente, sendo que a dita camada espaçadora está em contato com um substrato grafítico;
desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafítico oposto à dita camada espaçadora, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafítico, sendo que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p, opcionalmente, separada por uma região intrínseca (região ativa); e
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12. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que os ditos NWs compreendem uma estrutura de NW Al(Ga)N tipo p/(Al)(Em)GaN intrínseca/Al(Ga)N tipo n.
13/17 opcionalmente, fornecer um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs.
37. Processo, de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que a dita região intrínseca compreende pelo menos uma heteroestrutura selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado;
e sendo que, opcionalmente, pelo menos uma das ditas três regiões de NW compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo.
38. Processo para a preparação de um dispositivo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende:
fornecer um primeiro refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com uma camada espaçadora transparente, sendo que a dita camada espaçadora está em contato com um substrato grafitico;
desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafitico oposto à dita camada espaçadora, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafitico, sendo que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um
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13. Dispositivo, tal como um dispositivo emissor de
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14/17 poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e em que, opcionalmente, pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo; e opcionalmente, fornecer um segundo refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs.
39. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 36 a 38, caracterizado pelo fato de que o dito substrato grafítico e camada espaçadora transparente são formados por vidro de grafeno.
40. Processo para a preparação de um dispositivo, de acordo com a reivindicação 16 ou 18, caracterizado pelo fato de que compreende:
fornecer um substrato grafítico ou vidro de grafeno, respectivamente;
desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafítico, sendo que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada tipo p, opcionalmente, separada por uma região intrínseca (região ativa); e fornecer um refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs.
Petição 870190073348, de 31/07/2019, pág. 115/129
14. Dispositivo, tal como um dispositivo emissor de luz, por exemplo, um dispositivo de laser, caracterizado pelo fato de que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a
V desenvolvidos em um lado de um substrato grafitico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafitico;
Petição 870190073348, de 31/07/2019, pág. 106/129
15/17
41. Processo para a preparação de um dispositivo, de acordo com a reivindicação 17 ou 18, caracterizado pelo fato de que compreende:
fornecer um substrato grafitico ou vidro de grafeno, respectivamente;
desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafitico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafitico, sendo que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e em que, opcionalmente, pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo; e fornecer um refletor de Bragg distribuído ou espelho de
metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs. 42. Processo para a preparação de um dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12 e 16 a 30, caracterizado pelo fato de que compreende desenvolver uma
pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafitico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafitico, sendo que os ditos NWs compreendem uma região dopada tipo n e uma região dopada
Petição 870190073348, de 31/07/2019, pág. 116/129
15. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que vidro de grafeno forma a dita camada grafítica e camada espaçadora transparente.
16/17 tipo p, opcionalmente, separada por uma região intrínseca (região ativa) e em que, opcionalmente, pelo menos uma das ditas três regiões de NW compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo; e opcionalmente, fornecer um refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs; e transferir o dito substrato grafítico para um DBR ou espelho de metal ou para uma camada espaçadora transparente em um DBR ou para uma camada espaçadora transparente em um espelho de metal.
43. Processo para a preparação de um dispositivo, de acordo com a reivindicação 42, caracterizado pelo fato de que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado.
44. Processo para a preparação de um dispositivo, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que compreende:
desenvolver uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V epitaxialmente no dito substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo no dito substrato grafítico, sendo que os ditos NWs compreendem pelo menos uma heteroestrutura, selecionada, preferencialmente, dentre um
Petição 870190073348, de 31/07/2019, pág. 117/129
16. Dispositivo, tal como um dispositivo emissor de luz, por exemplo, um dispositivo de laser, caracterizado pelo fato de que compreende:
uma pluralidade de NWs semicondutores de grupos III a V desenvolvidos em um lado de um substrato grafítico, preferencialmente através dos furos de uma máscara com padrão de furo opcional sobre o dito substrato grafítico;
Petição 870190073348, de 31/07/2019, pág. 107/129
17/17 poço quântico, um ponto quântico ou um super-reticulado; e em que, opcionalmente, pelo menos um dos ditos NWs compreende uma camada de bloqueio de elétron ou furo; e opcionalmente, fornecer um refletor de Bragg distribuído ou espelho de metal em contato com o topo de pelo menos uma porção dos ditos NWs; e transferir o dito substrato grafitico para um DBR ou espelho de metal ou para uma camada espaçadora transparente em um DBR ou para uma camada espaçadora transparente em um espelho de metal.
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