KR20180052742A - 나노와이어 레이저 구조체 및 제조 방법 - Google Patents

나노와이어 레이저 구조체 및 제조 방법 Download PDF

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베네딕트 마이어
그레고어 코블뮐러
요나탄 핀을라이
요하네스 클리크페라
게르하르트 압스트라이터
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테크니쉐 우니베르지테트 뮌헨
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Abstract

코어-외피 나노와이어 레이저 구조체는 기판(12), 상기 기판으로부터 연장되고, 제 1 직경을 가지는 신장된 지지 요소(14) 및, 지지 요소상에 및/또는 지지 요소 둘레에 연장되고 제 1 직경 보다 적어도 2 배로 큰 제 2 직경을 가지는 신장된 동체 요소(16)를 포함하고, 동체 요소는 기판으로부터 이격된다.

Description

나노와이어 레이저 구조체 및 제조 방법
본 발명은 나노와이어 레이저 구조체 및 나노와이어 레이저 구조체의 형성 방법에 관한 것으로서, 특히 모노리식(monolithic)으로 통합된 나노와이어 레이저를 형성하는 방법에 관한 것이다.
특히 실리콘상에서, 나노와이어 레이저의 사이트 선택적인 성장(Site selective growth)은 커다란 잠재성을 가지며 미래의 광자 소자(photonic device)들의 중요한 구성 블록이 될 수 있다. 특히, 반도체 III-V 나노와이어들은, 단일 모드의 광학 도파관으로서 작동하고, 광학 필드를 공진되게 재순환시키고(resonantly re-circulate), 이득을 제공하는 성능에 의하여, 새로운 세대의 레이저 및 온-칩 코히런트 광원(on-chip coherent light sources)을 만드는 잠재성을 가진다. 더욱이, 소형 나노와이어의 영향 범위(footprint)는 실리콘상의 직접적인 성장을 용이하게 하는데, 이는. T. Martensson 등의 , "Epitaxial III-V Nanowires on Silicon" (Nano. Lett. 4 (2004) 1987) 및 J. Treu 등의 "Enhanced Luminescence Properties of InAs-InAsP Core-Shell Nanowires", (Nano. Lett. 13 (2013) 6070)에 개시된 바와 같다. 그러나, 나노와이어와 실리콘 기판 사이의 낮은 귤절률 콘트라스트는 불량한 모드 반사율(modal reflectivity)을 제공하고 레이저 작동을 저해한다. 예를 들어, 실리콘상에서 성장되는 GaAs-AlGaAs 에 대하여, GaAs 실리콘 인터페이스에서의 모드 반사율은 통상적으로 1 % 아래이고, 성장 기판으로부터 나노와이어들을 제거하는 것에 의해서만 반사율은 레이저 작용을 달성하기 충분할 정도로 커질 수 있는데, 이는 Mayer 등의 "Lasing from Individual GaAs-AlGaAs Core-Shell Nanowires up to Room Temperature"(Nature Photonics 4, 2013)에 의해서 제시된 바와 같다. 그러나, 성장 기판으로부터 나노와이어를 제거하고 그것을 다른 기판으로 이전시키는 것은 복잡하고 오류의 경향이 있는 나노제조 과정이며, 통합된 나노와이어 베이스 광자 소자들의 대량 생산을 향한 전진을 억제하였다.
최근에, 높은 등급의 헬리컬 광학 모드들을 지원하는 테이퍼진 InGaAs 나노필라들은 실리콘상에 레이저를 발하는 것으로 나타났으며, 이에 관해서는 R. Chen 등의 "Nanolasers Grown on Silicon" (Nature Photonics 5 (2011) 170) 및, H. Sun 등의 "Nanopillar Lasers Directly Grown on Silicon with Heterostructure Surface Passivation"(ACS Nano. 8, 2014)에 개시되어 있다. 그러나, 이들의 비교적 넓은 영향 범위(footprint) 및 다중 모드의 공진기 구조는 통상적으로 β= 0.01 정도의 상당히 낮은 자발적 조사 결합 계수(emission coupling factor)들에 이르게 되며, 결국, 레이저 작용을 위한 높은 펌프 쓰레숄드 및 복잡한 원거리 필드 방사 패턴(far-field radiation pattern)에 이르게 된다.
높은 결합 계수(coupling factor)를 가지고 제조가 용이하고 효율적인 통합 나노와이어 레이저 구조체가 필요하다.
본 발명의 목적은 독립 청구항 제 1 항에 따른 나노와이어 레이저 구조체에 의하여 그리고 독립 청구항 제 12 항에 따른 나노와이어 레이저 구조체를 형성하는 방법에 의하여 달성된다. 종속 청구항들은 바람직한 실시예들에 관한 것이다.
본 발명에 따른 나노와이어 레이저 구조체는 기판, 상기 기판으로부터 연장되고 제 1 직경을 가진 신장된 지지 요소 및, 상기 지지 요소상에서 그리고/또는 상기 지지 요소 둘레에서 연장된, 신장된 동체 요소를 포함하고, 상기 동체 요소는 상기 제 1 직경보다 적어도 2 배로 큰 제 2 직경을 가지며, 상기 동체 요소는 상기 기판으로부터 펼쳐진다.
상대적으로 얇은 지지 요소상에 그리고/또는 지지 요소 둘레에 신장된 동체를 형성하고, 신장된 동체 요소의 직경이 신장된 지지 요소의 직경의 적어도 2 배이고, 기판으로부터 멀어지게 동체 요소를 이격시킴으로써, 높은 자발적 조사 계수(emission factor)를 가진 레이저 공동이 기판상에서 직접적으로 사이트 선택적으로 성장된 구조체에서 달성될 수 있음이 발견되었다.
신장된 구조에 기인하여, 지지 요소 및 동체 요소는 함께 나노와이어로 간주될 수 있다.
신장된 지지 요소는, 본 발명의 의미로서, 길이가 폭보다 큰 지지 요소를 나타내는 것으로 이해될 수 있다.
마찬가지로, 신장된 동체 요소는 본 발명의 의미로서, 길이가 폭보다 큰 동체 요소를 나타내는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명은 레이저 작용을 달성하기 위하여 나노와이어를 성장 이후에 기판으로부터 제거하고 그것을 상이한 베이스 또는 기판으로 이전시킬 필요성을 회피시킨다. 오히려, 나노와이어 레이저 구조체는 기판상에서 직접적으로 성장될 수 있으며, 따라서 제조 효율을 현저하게 향상시키고, 제조 비용을 저감시키고, 나노와이어 레이저 구조체를 대규모 반도체 제조 기술에 순응되게 한다.
본 발명에 따른 나노와이어 레이저 구조체는 다수의 반도체 헤테로구조(heterostructures)에서 채용될 수 있고 퀀텀 웰(quantum wells), 퀀텀 와이어 (quantum wires) 및 퀀텀 도트(quantum wires)의 제조에서 채용될 수 있다. 유리하게는, 본 발명에 따른 레이저 구조체는 이후에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 나노와이어 레이저의 적절한 치수 선택에 의하여 시스템의 파장을 조절할 수 있다. 본 발명은 또한 높은 온도 안정성을 달성할 수 있게 하고, 그에 의하여 효율을 향상시킨다.
본 발명에 따른 나노와이어 레이저 구조체는 단일 광자 소스(photon source)로서 사용될 수도 있고, 높은 수율 및 광섬유에 대한 우수한 결합을 달성한다.
바람직한 실시예에서, 상기 제 2 직경은 상기 제 1 직경보다 적어도 3 배 크다.
상기 지지 요소는 필라 구조(pillar structure)를 형성할 수 있고 그 위에 상기 동체 요소가 부착된다.
상기 기판으로부터 이격된 동체 요소는 직접적인 물리적 접촉 상태에 있지 않은 기판 및 동체 요소를 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 나노와이어 레이저 구조체는 상기 동체 요소와 상기 기판 사이에 제 1 반사층을 포함한다.
일 예에서, 상기 제 1 반사층은 상기 기판과 물리적으로 접촉하고 그리고/또는 상기 동체 요소와 물리적으로 접촉한다. 그러나, 본 발명은 제한되지 않으며, 나노와이어 레이저 구조체는 상기 제 1 반사 층과 상기 기판 사이에, 그리고/또는 상기 제 1 반사층과 상기 동체 요소 사이에, 다른 층들을 포함할 수 있다.
상기 제 1 반사층은 상기 지지 요소를 둘러쌀 수 있다. 즉, 상기 지지 요소는 상기 기판으로부터 상기 반사층을 통하여 상기 동체 요소로 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 반사층은 적어도 0.2, 바람직스럽게는 적어도 0.3 및, 특히 적어도 0.5 의 반사율(reflectivity)을 가질 수 있다.
발명자들은 나노와이어 축에 평행한 검출 축을 따라서 출력 특성들을 기록하였으며 β= 0.2 또는 그보다 높은 자발 조사 계수를 발견하였는데, 이것은 통상적인 다이오드 레이저 및 다른 신규한 Si 에 기초한 레이저 개념에 대해서보다 몇 자리수로 큰 것이고, 또한 펄스 당 11±1 pJ 의 저- 쓰레숄드 펌프 에너지 (low-threshold pump energy)에 대한 상한치를 발견하였다.
본 발명에 따른 나노와이어 레이저 구조체가 다기능이고, 적외선으로부터 가시 스펙트럼을 통하여 자외선 스펙트럼 범위에 이르는, 상이한 레이저 적용예들의 넓은 범위에 대하여 상이한 치수들로 제조될 수 있다는 점이 특히 유리하다. 본 발명에 따른 나노와이어 레이저 구조체의 치수들 및 특성들은 나노와이어 구조체가 조사하도록 적합화된 레이저 신호의 파장에 관한 고유 치수들에 의해 최상으로 특징지워진다.
일 예로서, 상기 나노와이어 레이저 구조체는 파장(λ)에서 레이저 신호를 조사하도록 적합화될 수 있으며, 여기에서 상기 제 1 반사층의 두께는 λ/(2 n)의 정수배일 수 있고, n 은 상기 제 1 반사층의 귤절률을 나타낸다.
상기 제 1 반사층의 두께를 λ/(2 n)의 정수 배수로 선택함으로써, 상기 제 1 반사층의 상부 및 하부 표면의 면(facet)에서 반사가 달성될 수 있으며, 그에 의하여 우수한 레이저 작용이 달성될 수 있도록 반사율이 더욱 향상된다.
일 예에서, 상기 제 1 반사층의 두께는 30 nm 보다 작지 않을 수 있고, 바람직스럽게는 50 nm 보다 작지 않을 수 있고, 특히 100 nm 보다 작지 않을 수 있다.
더욱이, 상기 제 1 반사층의 두께는 800 nm 보다 크지 않을 수 있고, 바람직스럽게는 400 nm 보다 크지 않을 수 있다.
일 예에서, 상기 제 1 반사층은 분배 브래그 반사기(distributed Bragg reflector) 및/또는 높은 콘트라스트의 격자(high contrast grating)를 포함한다.
상기 제 1 반사층은 유전 물질을 포함할 수 있고, 특히 SiO2 및/또는 SiN을 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명은 제한적이지 않으며, 대안으로서 그리고/추가적으로 상기 동체 요소와 상기 기판 사이에 간극이 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 간극은 진공 간극일 수 있고, 그리고/또는 공기와 같은 주위 매체로 채워질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판은 반도체 재료를 포함할 수 있고, 특히 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.
일 예로서, 상기 지지 요소는 상기 기판의 Si(100) 표면으로부터 또는 Si(111) 표면으로부터 연장될 수 있다.
일 예에서, 상기 지지 요소는 상기 동체 요소를 통하여 연장되고, 상기 동체 요소는 적어도 부분적으로 상기 지지 요소를 적어도 부분적으로 둘러싼다. 이러한 의미로, 상기 지지 요소는 상기 나노와이어 레이저 구조체의 코어(core)로 간주될 수 있고, 상기 동체 요소는 상기 나노와이어 레이저 구조체의 외피(shell)로 간주될 수 있고, 상기 외피는 상기 코어 둘레에서 연장된다.
상기 지지 요소 및/또는 상기 동체 요소는 III-V 반도체를 포함할 수 있고, 특히 GaAs 및/또는 InGaAs 및/또는 InP 및/또는 GaP 을 포함할 수 있다.
상기 지지 요소 및/또는 상기 동체 요소는 II-VI 반도체 및/또는 그룹 III 질화물을 포함할 수도 있고, 특히 GaN 및/또는 InGaN 및/또는 AlGaN 을 포함할 수도 있다.
재료의 선택은 항상 소망의 레이저 특성 및 적용예에 달려 있다. 원칙적으로, 고체 상태 레이저 이득 매체(gain media)로부터 공지된, 모든 재료의 조합은 나노와이어 지지/동체 구조들에도 적용될 수 있다.
나노와이어 레이저 구조체는 pn 접합 및/또는 pin 접합을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명은 레이저 다이오드를 나노와이어 구조체에 직접적으로 통합시킬 수 있다.
일 예에서, 상기 지지 요소 및/또는 상기 동체 요소의 하부 부분은 제 1 도핑 농도를 가진 제 1 반도체 영역을 포함할 수 있고, 상기 하부 부분은 상기 기판을 향하고, 상기 지지 요소 및/또는 상기 동체 요소의 상부 부분은 상기 제 1 도핑 농도와 상이한 제 2 도핑 농도를 가진 제 2 반도체 영역을 포함할 수 있고, 상기 상부 부분은 상기 기판으로부터 이탈되게 향한다.
이러한 구성에서, 수평 또는 측방향의 p-n 접합(junction)이 형성될 수 있다.
일 예로서, 상기 제 1 도핑 농도는 p 농도일 수 있고, 상기 제 2 도핑 농도는 n 농도일 수 있으며, 또는 상기의 역(逆)일 수 있다. 상기 n 농도는 바람직스럽게는 상기 p 농도보다 적어도 5 배로 작다. 일 예에서, 상기 n 농도는 상기 p 농도보다 많아도 20 배로 작다.
일 예에서, p 농도와 n 농도 사이의 비율은, 홀(hole)들의 유효 질량과 전자들의 유효 질량 사이 비율의 적어도 0.6 배이다.
일 예에서, p 농도와 n 농도 사이의 비율은 홀들의 유효 질량과 전자들의 유효 질량 사이의 비율의 많아도 1.4 배이다.
그러나, 본 발명은 측방향 pn 접합에 제한되지 않고, 방사상 pn 접합(radial pn junction)을 포함할 수 있다. 방사상 pn 접합은 양의 도핑 영역(positively doped region) 과 음의 도핑 영역(negatively doped region) 사이에 특히 넓은 접촉 표면을 제공할 수 있고, 그에 의하여 레이저 작용 효율을 더욱 향상시킨다.
특히, 상기 지지 요소는 상기 동체 요소를 통해 연장될 수 있고, 상기 동체 요소는 적어도 부분적으로 상기 지지 요소를 둘러쌀 수 있는데, 상기 지지 요소는 제 1 도핑 농도를 가진 제 1 반도체 영역을 포함하고, 상기 동체 요소는 상기 제 1 도핑 농도와 상이한 제 2 도핑 농도를 가진 제 2 반도체 영역을 포함한다.
일 예에서, 상기 제 1 도핑 농도는 p 농도이고, 상기 제 2 도핑 농도는 n 농도이며, 또는 상기의 역일 수 있다.
일 예에서, 상기 n 농도는 상기 p 농도보다 적어도 5 배로 작다. 일 예에서, 상기 n 농도는 상기 p 농도보다 많아도 20 배로 작다.
일 예에서, p 농도와 n 농도 사이의 비율은 홀의 유효 질량과 전자들의 유효 질량 사이의 비율의 적어도 0.6 배이다.
일 실시예에서, p 농도와 n 농도 사이의 비율은 홀의 유효 질량과 전자들의 유효 질량 사이의 비율의 많아도 1.4 배이다.
일 실시예에서, 상기 나노와이어 레이저 구조체의 도핑 농도는 상기 나노와이어 레이저 구조체의 길이 방향을 따라서 변화될 수 있다. 길이 방향은 상기 기판으로부터 이탈되게 향하는 방향일 수 있다. 변화되는 도핑 농도는 높은 전자 이동성(electron mobility)에 균형을 맞출 수 있고, 그에 의하여 나노와이어의 주로 애노드 단부에서 방사 재결합(radiative recombination)이 발생되는 것을 억제한다.
예를 들어, n 유형 도핑 농도는 신장된 지지 요소 및/또는 신장된 동체 요소의 캐소드 단부에서 높을 수 있고, 애노드 단부에서 낮을 수 있다. 특히, 상기 지지 요소 및/또는 상기 동체 요소의 n 유형 도핑 농도는 상기 나노와이어 레이저 구조체의 캐소드 단부로부터 상기 나노와이어 레이저 구조체의 애노드 단부로 점진적으로 감소될 수 있다.
상기 제 2 반도체 영역은 상기 지지 요소를 향하는 내측 영역 및, 상기 지지 요소로부터 이탈되게 향하는 외측 영역을 더 포함할 수 있으며, 상기 내측 영역의 도핑 농도는 상기 외측 영역의 도핑 영역과 상이하다.
특히, 상기 내측 영역의 상기 도핑 농도는 상기 외측 영역의 도핑 농도보다 높을 수 있고, 바람직스럽게는 상기 외측 영역의 도핑 농도보다 적어도 5 배 높을 수 있고, 특히 적어도 10 배 높을 수 있다.
상기 내측 영역에서의 높은 도핑 농도는 상기 지지 요소 및 동체 요소 내부의 방사 재결합 및 전자들을 포착하는 역할을 한다. 이러한 높은 도핑 농도는 나노와이어의 중심으로부터 이탈되게 방사 재결합이 펼쳐지는 것을 억제할 수 있으며, 그렇지 않으면 n 도핑된 코어를 사용할 때 높은 전자 이동성에 기인하여 그것이 발생될 수 있다.
일 실시예에서, 나노와이어 레이저 구조체는 상기 제 1 반도체 영역과 상기 제 2 반도체 영역 사이에 개재된 고유한 반도체 영역을 더 포함한다.
전자들과 홀들의 거의 모든 재조합은 상기 제 1 반도체 영역과 상기 제 2 반도체 영역 사이에 개재된 상기 내재층(intrinsic layer)에서 발생될 수 있다. 이것은 캐리어 밀도(carrier density)를 단일 영역에 더욱 초점 맞출 수 있으며, 따라서 방사 재결합을 증가시킨다. 이것은 또한 내재층 내의 낮은 결함 밀도(defect density)에 기인하여 SRH 재조합을 감소시킬 수도 있다.
상기 지지 요소 및/또는 상기 동체 요소는 실린더형, 육각형 또는 삼각형일 수 있다.
상기 지지 요소의 상기 제 1 직경은 상기 지지 요소의 대향하는 측표면들 사이의 거리를 나타낼 수 있다.
내재 유닛(intrinsic unit)들에서, 상기 나노와이어 레이저 구조체가 파장(λ)에서 레이저 신호를 조사하도록 적합화되었을 때, 상기 지지 요소의 상기 제 1 직경은 λ/(2 n) 보다 작을 수 있으며, n 은 상기 지지 요소의 굴절률을 나타낸다.
λ/(2 n) 보다 작은 직경은 레이저 모드들이 상기 지지 요소 내부에 형성되는 것을 방지하며, 따라서 레이저 모드가 기판에 직접 결합되는 것을 방지함으로써, 레이저 모드가 아래에 있는 실리콘 기판과 직접 접촉하는 것을 회피하고 반사율을 향상시킨다.
일 예에서, 상기 제 1 직경은 400 nm 보다 작을 수 있고, 바람직스럽게는 300 nm 보다 작을 수 있고, 특히 200 nm 보다 작을 수 있다.
상기 동체 요소의 상기 제 2 직경은 외측 직경일 수 있고, 상기 동체 요소의 대향하는 외측 측부 표면들 사이의 거리를 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노와이어 레이저 구조체는 파장(λ)에서 레이저 신호를 조사하도록 적합화될 수 있고, 상기 동체 요소의 상기 제 2 직경은 상기 동체 요소의 광학 모드들에 대한 광학적 컷-오프 직경(optical cut-off diameter)보다 작지 않을 수 있다. 광학적 컷 오프 직경은 본 발명의 개시 내용과 관련하여, 상기 동체 요소내에서 전파될 수 있는 파장들의 하부 경계로서 이해될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노와이어 레이저 구조체는 파장(λ)에서 레이저 신호를 조사하도록 적합화될 수 있고, 상기 동체 요소의 상기 제 2 직경은 λ/n 보다 작지 않을 수 있고, 특히 1.5 λ/n 보다 작지 않을 수 있고, n 은 상기 동체 요소의 굴절률을 나타낸다.
상기 동체 요소의 직경이 λ/n 보다 작지 않은 것은 레이저 모드들이 상기 동체 요소 안에서 상기 기판으로부터 이격되어 형성될 수 있음을 보장하며, 그에 의하여 제한(confinement) 및 자발적 조사 계수(spontaneous emission factor)를 향상시킨다.
일 예에서, 상기 동체 요소의 상기 제 2 직경은 150 nm 보다 작지 않을 수 있고, 바람직스럽게는 300 nm 보다 작지 않을 수 있고, 특히 400 nm 보다 작지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노와이어 레이저 구조체는 파장(λ)에서 레이저 신호를 조사하도록 적합화될 수 있고, 상기 동체 요소의 상기 제 2 직경은 3 λ/n 보다 크지 않고, 바람직스럽게는 2 λ/n 보다 크지 않고, n 은 상기 동체 요소의 굴절률을 나타낸다. 이것은 우수하게 형성된 레이저 파장을 가진 나노와이어 레이저 구조체를 제공할 수 있게 한다. 더욱이, 이것은 높은 자발적 조사 계수를 가진 나노와이어 구조체를 제공할 수 있게 하고, 따라서 높은 효율을 제공한다.
본 발명과 관련하여, 레이저 신호의 파장(λ)은 상기 동체 요소의 길이에 관하여 결정될 수 있으며, 이는 상기 레이저 신호에 대한 공진 공동(resonating cavity)으로서의 역할을 할 수 있다. 특히, 상기 동체 요소의 길이는 λ/(2 n) 의 정수 배수일 수 있으며, n 은 상기 동체 요소의 굴절률을 나타낸다.
일 예에서, 상기 동체 요소의 길이는 0.5 마이크로미터보다 작지 않고, 특히 1 마이크로미터보다 작지 않다.
본 발명자들은 상기 범위의 공동의 길이는 손실을 효과적으로 억제하고, 그에 의하여 레이저 작용의 이득을 향상시킴을 발견하였다.
일 실시예에서, 상기 동체 요소의 길이는 50 마이크로미터보다 크지 않다.
일 실시예에서, 나노와이어 레이저 구조체는 상기 기판으로부터 이탈되게 향하는 상기 동체 요소의 측면상에 형성된 제 2 반사층을 더 포함한다.
상기 기판으로부터 대향되는 상기 동체 요소의 상부측상의 제 2 반사층은 반사 특성을 더 향상시킬 수 있으며, 특히 효율적인 레이저 작용을 위한 공동을 제공할 수 있다.
특히, 상기 제 2 반사층은 분배 브래그 반사기(distributed Bragg reflector) 및/또는 높은 콘트라스트의 격자를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 나노와이어 레이저 구조체는 제 1 편극 수단(polarization means) 및 제 2 편극 수단을 더 포함하고, 제 1 편극 수단은 상기 기판에 전기적으로 연결되고 상기 기판을 제 1 전위로 상승시키도록 적합화되고, 제 2 편극 수단은 상기 동체 요소에 전기적으로 연결되고 상기 동체 요소를 상기 제 1 전위와 상이한 제 2 전위로 상승시키도록 적합화된다.
제 1 및 제 2 전위는 나노와이어 레이저 구조체에 인가되어 전기적인 주입 (electrical injection)을 제공할 수 있고, 그에 의하여 상기 동체 요소내에서 레이저 작용을 촉발한다.
바람직스럽게는, 상기 제 1 편극 수단 및/또는 상기 제 2 편극 수단은 상기 나노와이어 레이저 구조체에 통합될 수 있고, 반도체 제조 기술로 제조될 수 있다. 특히, 중 도핑된(heavily-doped) 얇은 p++- 접촉부 또는 n++- 접촉부가 전기적인 주입을 위하여 사용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판은 도파관을 포함하고, 상기 지지 요소는 상기 도파관으로부터 연장된다.
기판내의 도파관은 편리하게 레이저 신호를 외부로 커플링(coupling)할 수 있고, 그것을 필요로 하는 칩의 어느 곳에라도 전달할 수 있다.
상기 도파관은 실리콘을 포함할 수 있다.
일 예에서, 상기 도파관은 상기 지지 요소 및/또는 상기 동체 요소 아래에 배치된 산란 대상물(scattering object)을 포함한다. 특히, 리소그래피로 형성된 격자는 상기 지지 요소 및/또는 상기 동체 요소 아래에 배치될 수 있다.
상기 산란 대상물은 비대칭 산란 대상물일 수 있으며, 이는 바람직한 방향을 따라서 광을 산란시키도록 적합화된다.
일 실시예에서, 상기 지지 요소 및/또는 상기 동체 요소는 상기 기판에 직각인 방향으로 연장된다.
그러나, 본 발명은 그렇게 제한되지 않으며, 상기 지지 요소 및/또는 상기 동체 요소는 대안으로서 상기 기판의 표면 법선에 경사진 각도로 연장될 수 있다.
경사진 구성은 동체 요소와 아래에 놓인 도파관 사이의 커플링 효율(coupling efficienty)을 증가시킬 수 있고, 특히 헬리컬 모드들에 대하여 그러하다. 더욱이, 경사진 지지 요소 및/또는 동체 요소는 바람직한 방향성으로 레이저 신호를 외부로 커플링시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판의 표면 법선에 경사진 상기 각도는 적어도 20 도이고, 특히 적어도 70 도이다.
일 실시예에서, 상기 나노와이어 레이저 구조체는 상기 동체 요소에 광학적으로 결합된 간섭계 요소를 더 포함하며, 상기 간섭계 요소는 함께 폐쇄 루프(closed loop)를 형성하는 제 1 레이저 신호 경로 및 제 2 레이저 신호 경로를 포함하고, 상기 나노와이어 레이저 구조체는 상기 제 1 레이저 신호 경로 및 상기 제 2 레이저 신호 경로에 결합된 출력 경로 및, 상기 제 2 레이저 신호 경로 위치된 게이트 요소를 더 포함하고, 상기 게이트 요소는 상기 제 2 레이저 신호 경로의 굴절률을 선택적으로 변화시키도록 적합화된다.
상기 동체 요소에 결합된 간섭계 요소는 광학적 공동으로서의 역할을 할 수 있고 코히런트 광(coherent light)을 저장할 수 있다. 상기 동체 요소로부터 조사된 레이저 광은 상기 게이트 요소의 제 1 게이트 위치에 있는 광학적 공동의 출력부에서 상쇄적으로 간섭될 수 있다. 그러나, 상기 게이트 요소의 제 2 게이트 위치에서, 상기 제 2 레이저 신호 경로의 굴절률은 변화될 수 있어서, 광학적 공동의 출력부에서의 광의 보강 간섭에 이르고, 따라서 상기 레이저 공동에 저장된 광 에너지의 갑작스런 조사에 이른다. 이것은 초고속 펄스 조사를 초래할 수 있고, 주파수 빗(frequency comb)의 설계에 채용될 수 있다.
일 예에서, 상기 게이트 요소는 비선형 매체를 포함한다.
다른 예에서, 상기 나노와이어 레이저 구조체는 상기 출력 경로를 상기 게이트 요소에 결합시키는 피드백 경로를 더 포함하고, 특히 광학적 피드백 경로를 더 포함한다.
상기 피드백 경로는 상기 출력 경로로 조사된 광이 차후의 출력 펄스를 촉발할 수 있게 한다. 이러한 구성은 짧은 레이저 펄스들의 트레인(train)이 규칙적인 짧은 간격으로 조사될 수 있게 함으로써, 주파수 빗(frequency comb) 발생을 용이하게 한다.
위에 설명된 특징들중 일부 또는 전부를 가진 몇가지 나노와이어 레이저 구조체들이 공통의 기판상에 형성될 수 있어서, 레이저 어레이(laer array)의 결과를 있게 한다.
특히, 상기 레이저 어레이는 규칙적인 간격으로 이격된 복수개의 나노와이어 레이저 구조체들을 포함할 수 있다.
상기 레이저 어레이에 있는 인접한 동체 요소들은 유전 매체(dielectric medium)에 의하여 분리될 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 어레이는 냉각 매체를 위한 냉각 채널을 더 포함하며, 상기 냉각 채널들은 인접한 나노와이어 레이저 구조체들 사이에서 연장된다.
냉각 채널들은 상기 레이저 어레이에서 발생된 열을 효율적으로 소산시키는데 도움이 될 수 있고, 따라서 레이저 어레이에 높은 레이저 출력을 제공하는데 도움이 될 수 있다.
일 예에서, 상기 나노와이어 레이저 구조체들은 상기 공통의 기판상에서 변화되는 공간 거리들에 형성될 수 있다. 인접한 동체 요소들 사이의 분리를 맞춤 제작(tailoring)함으로써, 그리고 따라서 개별적인 동체 요소들에 의해 조사되는 레이저 신호들 사이의 보강 간섭과 상쇄 간섭을 맞춤 제작함으로써, 어레이의 원거리 필드 조사 프로파일(far field emission profile)이 선택적으로 결정될 수 있다.
원거리 필드 에미션 프로파일(far field emission profile)의 개별적인 적합화 및 다양한 구성들 사이의 신속한 스위치 전환은 주어진 나노와이어 어레이 구조체에 있는 개별적으로 접촉된 나노와이어들로써 달성될 수 있다. 나노와이어 위치들을 변화시키는 대신에 또는 그에 추가하여, 개별적인 나노와이어들은 스위치가 켜지거나 꺼질 수 있고, 또는 레이저 강도가 조절될 수 있다.
상기 레이저 어레이의 상기 나노와이어 레이저 구조체들은 광학적 특성에 관하여 상이할 수 있다. 특히, 상기 레이저 어레이의 상이한 나노와이어 레이저 구조체들은 상이한 치수들을 가질 수 있으며, 따라서 상이한 파장에서 레이저 신호들을 조사한다.
일 실시예에서, 상기 레이저 어레이는 적어도 하나의 초점 요소를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 초점 요소는 상기 공통 기판으로부터 이탈되게 향하는 측에서 상기 복수개의 나노와이어 레이저 구조체상에 배치된다.
적어도 하나의 초점 요소(focusing element)는 조사된 레이저 신호의 방향성(directionality)을 더욱 향상시키는 것을 보조할 수 있다.
상기 초점 요소(focusing element)는 렌즈를 포함하고, 특히 고체 잠입 렌즈(solid immersion lens) 및/또는 마이크로렌즈 어레이(microlens array)를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 파장(λ)에서 레이저 신호를 조사하기 위한 상기 레이저 어레이 또는 상기 나노와이어 레이저 구조체의 사용에 관한 것이다.
특히, 사용은 제 1 전압을 상기 기판에 인가하는 단계, 제 2 전압을 상기 동체 요소에 인가하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 2 전압은 상기 제 1 전압과 상이하다.
나노와이어 레이저 구조체는 상기에 설명된 특징들중 일부 또는 전부를 가진 나노와이어 레이저 구조체일 수 있다.
본 발명은 나노와이어 레이저 구조체를 형성하는 방법에 관한 것으로서, 기판층상에 제 1 반사층을 형성하는 단계, 상기 기판층으로 연장되는 홀(hole)을 상기 제 1 반사층에 형성하는 단계, 상기 홀에 나노와이어 레이저 구조체를 성장시키는 단계로서, 상기 나노와이어 레이저 구조체의 성장은 상기 제 1 반사층을 통하여 제 1 직경으로 상기 홀에 지지 요소를 성장시키는 것을 포함하는 성장 단계 및, 상기 제 1 반사층 위에 상기 제 1 직경으로 상기 지지 요소를 연장시키는 단계를 포함하고, 이후에 상기 제 1 반사층 위로 연장되는 상기 지지 요소의 적어도 일부의 둘레에 동체 요소를 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 동체 요소는 상기 제 1 직경보다 적어도 2 배로 큰 제 2 직경을 가진다.
상기 방법은 상기 기판층을 제공 및/또는 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은 상기 제 1 반사층상에 레지스트 층(resist layer)을 형성하는 단계, 상기 레지스트 층을 통해 상기 홀을 형성하는 단계 및, 상기 홀의 형성 이후에 상기 제 1 반사층으로부터 상기 레지스트 층을 제거하는 단계를 더 포함한다.
레지스트 층들을 채용하는 것은 상기 신장된 지지 요소들의 상기 위치들을 선택할 수 있게 하고, 따라서 상기 기판상의 상기 나노와이어들이 높은 정도의 정밀도를 가질 수 있게 한다.
그러나, 포커스 이온 비임 또는 헬륨 이온 리소그래피와 같은, 레지스트 없는 제조 방법도 채용될 수 있다.
일 예에서, 상기 홀을 형성하는 단계는 이방성 반응 이온 에칭(anisotropic reactive ion etching)에 의하여 상기 제 1 반사층에 제 1 홀을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 홀은 상기 반사층 내에서 끝나고, 이후에 화학적 에칭에 의하여, 특히 풀루오린화수소산 에칭에 의하여 상기 제 1 홀을 상기 기판 층으로 연장시키는 단계를 포함한다.
본 실시예의 2 단계 에칭은 몇가지 장점을 가진다. 상기 제 1 반사층내에서의 상기 이방성 반응 이온 에칭은 아래에 있는 기판 표면에 대한 손상을 방지하는데, 이것은 차후의 성장 단계에서 나노와이어의 성장 및 결정핵 형성(nucleation)을 억제할 수 있다. 상기 기판에 대하여 상기 제 1 홀을 연장시키는 것은, 신중하게 조절될 수 있는 에칭 비율로 진행될 수 있고 기판 인터페이스에서 에칭을 바로 종료시킬 수 있으며, 그에 의하여 언더에칭(underetching)을 회피하고 매끄러운 결정 표면을 제공하여, 상기 표면에서 나노와이어들이 차후에 고품질로 성장될 수 있다.
상기 홀은 λ/(2·n) 의 정수 배수에 해당하는 깊이로 형성될 수 있으며, 여기에서 λ는 상기 나노와이어 레이저 구조체가 조사하도록 적합화된 레이저 신호의 파장을 나타내고, n 은 상기 제 1 반사층의 굴절률을 나타낸다.
일 예에서, 상기 홀에는 적어도 150 nm 의 깊이가 형성되고, 바람직스럽게는 적어도 200 nm 의 깊이가 형성된다.
상기 나노와이어 레이저 구조체는 분자 비임 에피탁시, 화학적 비임 에피탁시, 증기 상 에피탁시 또는 금속 유기 화학적 증기 증착에 의해 성장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은 pn 접합 또는 pin 접합을 형성하도록 상기 동체 요소 및/또는 상기 지지 요소를 도핑하는 단계를 더 포함한다.
상기 나노와이어 레이저 구조체는 위에서 설명된 특징들중 전부 또는 일부를 가지는 나노와이어 레이저 구조체일 수 있다.
나노와이어 레이저 구조체의 특징들 및 다양한 장점들과 제조 방법은 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대한 상세한 설명으로 가장 명백해진다.
도 1 은 본 발명의 일 예에 따른 나노와이어 레이저 구조체의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 전기 접촉부를 가진 도 1 의 나노와이어 레이저 구조체를 도시한다.
도 3 은 추가적인 상부 반사층을 가진 도 2 의 예에 따른 나노와이어 레이저 구조체를 도시한다.
도 4 는 측방향 p-n 접합을 포함하는, 다른 예에 따른 나노와이어 레이저 구조체의 단면도를 도시한다.
도 5 는 n-i-p++-p 구조를 포함하는 다른 예에 따른 나노와이어 레이저 구조체의 단면도이다.
도 6a 및 도 6b 는 일 예에 따른 나노와이어 레이저 구조체를 가진 헬리컬 모드를 이용하는 도파관 결합을 도시한다.
도 7a 는 광학적인 나노와이어 레이저 모드들을 도파관에 결합시키는 것이 어떻게 나노와이어 아래의 산란 대상물로써 향상될 수 있는가를 도시한다.
도 7b 는 저부 반사층을 통해 전송된 광이 도파관 결합을 향상시키도록 나노와이어 아래에 리소그래피로 형성된 격자에 의하여 어떻게 회절될 수 있는가를 도시한다.
도 7c 는 칩 상의 도파관(on-chip waveguide)에 대한 광학 모드들의 결합 효율을 틸트 나노와이어가 어떻게 증가시킬 수 있는가를 도시한다.
도 8 은 일 예에 따른 복수개의 나노와이어 레이저 구조체를 포함하는 나노와이어 레이저 어레이를 도시한다.
도 9 는 일 예에 따른 나노와이어 레이저 구조체에 광학적으로 결합된 간섭계 요소의 개략적인 도면이다.
도 10 은 추가적인 피드백 경로를 가진 도 9 의 예에 따른 간섭계 요소를 도시한다.
도 11a 내지 도 11e 는 일 예에 따른 나노와이어 레이저 구조체를 형성하는 제조 방법의 단계들을 도시한다.
도 12 는 일 예에 따라서 나노와이어 레이저 구조체를 형성하는 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 13a 내지 도 13g 는 희생 와이어 기술을 이용하는, 다른 예에 따른 나노와이어 레이저 구조체의 형성 방법을 도시한다.
도 1 은 본 발명의 예에 따른 나노와이어 레이저 구조체(10)의 단면도를 도시한다. 나노와이어 구조체(10)는, 실리콘 기판과 같은 기판(12)을 포함하며, 이것은 특히 (100) 실리콘 표면 또는 (111) 실리콘 표면을 가진다. 나노와이어 레이저 구조체는 실리콘 기판(12)으로부터 수직으로 연장된 신장된 지지 요소(14)(블랙으로 도시됨)를 더 포함한다. 신장된 동체 요소(16)(도 1 에 해칭된 영역)는 지지 요소(14)상에서 그 둘레에 형성된다.
도 1 의 구성에서, 지지 요소(14)는 동체 요소(16)를 통해 연장되고, 따라서 나노와이어 레이저 구조체(10)의 코어로서의 역할을 한다. 동체 요소(16)는 지지 요소(14)의 둘레에 연장되며, 따라서 나노와이어 레이저 구조체(10)의 외피(shell)로 간주될 수 있다.
일 예에서, 지지 요소(14) 및 동체 요소(16) 양쪽 모두는 III-V 반도체로부터 형성되며, 예를 들어, GaAs, InGaAs, InP, 및/또는 GaP로부터 형성된다. 그러나, 재료의 선택은 소망의 적용예에 달려 있으며, 다른 구성에서는 II-VI 반도체 및/또는 그룹 III 질화물, 특히 GaN 및/또는 AlGaN 이 마찬가지로 채용될 수 있다.
지지 요소(14) 및 동체 요소(16)는 실린더형, 또는 육각형 또는 삼각형일 수 있다. 그러나, 제조 과정에서 사용되는 재료에 따라서, 다른 형상들이 마찬가지로 채용될 수 있다.
도 1 에서 알 수 있는 바로서, 지지 요소(14)와는 반대로, 동체 요소(16)는 기판(12)까지 모두 연장되지 않지만, 제 1 반사층(18)에 의하여 기판(12)으로부터 분리되며, 제 1 반사층(18)은 지지 요소(14)의 하부 부분을 둘러싸고 기판(12)의 상부 표면과 동체 요소(16)의 하부 표면 사이에서 연장된다. 예를 들어, 제 1 반사층(18)은 SiO2 및/또는 SiN 과 같은 유전 재료(dielectric material)로 형성될 수 있다.
나노와이어 레이저 구조체(10)의 치수는 나노와이어 레이저 구조체(10)가 조사하게 되어 있는 레이저 신호의 레이저 파장에 따라서 선택된다. 예를 들어, 지지 요소(14)의 직경(d1)은 λ/(2·n) 보다 작은 것으로 선택될 수 있으며, 여기에서 n 은 지지 요소(14)의 굴절률을 나타낸다. d1 < λ/(2·n) 인 직경은 레이저 파장이 지지 요소(14) 안에서 형성되고 공진되는 것을 억제하고, 따라서 지지 요소(14)가 형성된, 아래에 놓인 기판(12)과 상기 레이저 파장들의 직접적인 접촉 또는 결합을 방지한다.
동체 요소(16)의 외측 직경(d2)은 지지 요소(14)의 직경(d1)보다 2 배로 클 수 있으며, 특히 적어도 λ/n일 수 있는데, 여기에서 n 은 동체 요소(16)의 굴절률을 나타낸다. 레이저 파장은 동체 요소(16)의 길이 방향(1)을 따라서 형성되고 공진될 수 있다. 동체 요소(16)는 따라서 레이저 공동(laser cavity)로서의 역할을 한다.
레이저 파장에 따라서, 지지 요소(14)의 직경(d1)은 80 nm 내지 300 nm 사이의 범위일 수 있다. 그에 대응하여, 동체 요소(16)의 직경(d2)은 160 nm 일 수 있고, 특히 적어도 400 nm 또는 적어도 600 nm 일 수 있다.
제 1 반사층(18)은 동체 요소(16)의 하부 단부에 레이저 모드를 반사시키는 역할을 하며, 따라서 나노와이어 구조체(10)의 레이저 작용을 위한 광학적 모드들의 공진 재순환(resonant recirculation)을 제공한다. 제 1 반사층(18)은 나노와이어 인터페이스에서 모드 반사율(modal reflectivity)을 향상시키고 0.9 의 반사율을 가능하게 하고, 그것을 지나서 레이저 모드를 직접적으로 실리콘 기판(12)에 반사시킴으로써 얻을 수 있었던 것보다 높은 2 내지 3 정도의 크기인 반사율을 가능하게 함을 발명자들은 발견하였다. 작은 나노와이어 도파관(동체 요소(16))은 0.2 및 그것을 넘어선 베타 계수(beta factor)를 가진 낮은 정도의 도파관 작용(waveguiding)을 제공한다. 나노와이어 구조체(10)가 지지 요소(14)를 통해 실리콘 기판(12)에 직접적으로 고정될지라도, 제 1 반사층(18)에 의하여 동체 요소(16)가 기판(12)으로부터 분리되기 때문에 90 % 보다 큰 반사율을 가진 도파관 특성(waveguiding properties)을 유지한다.
바람직스럽게는, 제 1 반사층(18)의 두께(t)는 λ/(2·n) 의 정수 배수로서 선택될 수 있고, 여기에서 n 은 제 1 반사층(18)의 굴절율을 나타낸다. 이러한 두께는, 동체 요소(16)와의 인터페이스에서 제 1 반사층(18)의 상부 표면측 및, 아래에 놓인 기판(12)과의 인터페이스에서 제 1 반사층(18)의 하부 표면측 양쪽 모두에서 반사를 허용하며, 그에 의하여 반사 특성을 더욱 향상시킨다.
소망의 레이저 파장에 의존하여, 제 1 반사층(18)의 두께(t)는 100 nm 내지 800 nm 사이의 범위에서 선택될 수 있다.
동체 요소(16)의 길이(1)는 적어도 1 마이크로미터일 수 있다. 적어도 1 마이크로미터의 공동(cavity)의 길이로서, 손실이 효율적으로 억제될 수 있음이 발견되었다. 제 1 반사층(18)의 반사율이 특히 양호하다면, 짧은 동체 요소라도 사용될 수 있다.
도 2 는 도 1 에 도시된 동일한 나노와이어 레이저 구조체(10)의 단면이지만, 나노와이어 레이저 구조체(10)로 전기적인 주입(electrical injection)을 촉발하는 전기 접촉부를 더 도시한다. 캐소드는 기판(12)에 연결될 수 있고, 지지 요소(14)를 통해 동체 요소(16)와 전기 접촉 상태에 있다. 애노드 접촉부(anode contact)는 동체 요소(16)와 전기 접촉된 접촉 층(20)일 수 있다. 도 2 는 동체 요소(16)의 상부에 형성된 애노드 접촉층(20)을 도시한다. 그러나, 이것은 단지 하나의 예이며, 접촉층(20)은 동체 요소(16)의 상부측 표면에 또는 그 둘레에 제공될 수도 있다. 전기 접촉층(20)은 충분한 전송(transmission)이 가능한, Au, Cu 또는 Ti 와 같은 얇은 금속층일 수 있거나, 또는 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 투명 도전 재료로 형성될 수 있다. 접촉부들이 바람직스럽게는 오옴(Ohmic) 접촉이다.
금속 접촉 층(20)은 동체 요소(16)의 상부에서 제 2 반사층으로서 배가될 수 있으며, 그에 의하여 제한(confinement)을 더 향상시킬 수 있고, 따라서 레이저 작용 쓰레숄드(lasing threshold)를 더 낮춘다.
그러나, 분리된 제 2 반사층(22)은 도 3 의 단면도에 개략적으로 도시된 바와 같이 동체 요소(16)의 상부측상에 마찬가지로 형성될 수 있다. 제 2 반사층(22)은 제 1 반사층(18)에 평행하게 연장될 수 있어서, 나노와이어의 상부 면(top facet)에서 반사성을 향상시킨다. 그러나, 이것은 선택적인 구성이다. 일반적으로, 나노와이어 레이저 구조체(10)의 상부면(top facet)은 많은 적용예에 대하여 충분한 정도의 반사율을 제공할 수 있으며, 제 2 반사층(22)이 필요하지 않을 수 있다.
도 1 내지 도 3 의 구성에서, 제 1 반사층(18) 및 제 2 반사층(22)은 유전체 재료를 포함할 수 있다. 그러나, 제 1 반사층(18) 및 제 2 반사층(22)은 분배 브래그 반사기(distributed Bragg reflector) 및/또는 높은 콘트라스트의 격자(high contrast grating)를 포함할 수도 있어서, 더욱 반사율을 향상시키고, 나노와이어 레이저 쓰레숄드를 감소시키며, 따라서 나노와이어 레이저 구조체(10)의 에너지 소비를 감소시킨다.
제 1 반사층(18)은 광학적 피드백을 제공하는 역할을 할 뿐만 아니라, 기판(12)과 동체 요소(16) 사이의 격리 층으로서 배가된다.
도 1 내지 도 3 의 구성에서, 지지 요소(14)는 n 도핑될 수 있고 동체 요소(16)는 p 도핑될 수 있어서, 나노와이어 레이저 구조체(10)의 길이를 따라서 연장된 반경 방향의 pn-접합(junction, 24)을 초래한다. 예를 들어, 지지 요소(16)가 1019/cm3의 도핑 농도로 p 도핑될 수 있고, 동체 요소(16)는 1020/cm2의 도핑 농도로 p 도핑될 수 있다. n 도핑된 지지 요소(14)는 기판(12)을 통하여 캐스드와 전기 접촉되고, p 도핑된 동체 요소(16)는 접촉층(20)을 통하여 애노드와 전기 접촉된다. 따라서, 전류는 반경 방향의 pn 접합을 따라서 주입될 수 있다. 나노와이어 레이저 구조체(10)의 커다란 표면-대(對)-체적 비율에 기인하여, 큰 고갈 영역(depletion region)이 전체 나노와이어 축을 따라서 연장되어, 비-방사성 재조합 손실(non-radiative recombination losses) 및 누설 전류를 억제함으로써 나노와이어 레이저 효율의 강한 향상을 결과시킨다. 추가적인 내재층(intrinsic layer)은 n 도핑 층과 p 도핑 층 사이에 개재될 수 있다.
그러나, 측방향 pn 접합이 도 4 에 도시된 바와 같이 채용될 수 있다. 도 4 는 도 1 내지 도 3 을 참조하여 위에서 설명된 구성에 대부분 대응하는 나노와이어 레이저 구조체(10')의 단면도이며, 동일한 도면 부호는 대응하는 부분을 지시하도록 채용된다. 그러나, 나노와이어 레이저 구조체(10)와 대조적으로, 나노와이어 레이저 구조체(10')의 동체 요소(16) 및 지지 요소(14)의 상부 부분(검은색으로 도시됨)은 n 도핑되는 반면에, 나노와이어 레이저 구조체(10')의 하부 부분(해칭으로 도시됨)은 p 도핑되어, n 도핑된 상부 부분과 p 도핑된 하부 부분 사이에 측방향 pn 접합(26)이 초래된다. 다시, n 유형(type) 도핑 농도는 1019/cm3의 범위로 선택될 수 있고, p 유형 도핑 농도는 1020/cm3 범위로 선택될 수 있다. 추가적인 내재층(intrinsic layer)은 n 도핑 층과 p 도핑 층 사이에 개재될 수 있다.
n 도핑된 상부 부분은 전기 접촉층(20)을 통하여 캐소드로 연결될 수 있는 반면에, p 도핑된 하부 부분은 기판(12) 및 지지 요소(14)를 통해 애노드에 연결될 수 있어서, 측방향 pn 접합에서 나노와이어 레이저 구조체(10)로 전류가 주입될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 나노와이어 레이저 구조체에서, 동체 요소의 직경(d2)은 나노와이어 도파관에 의해 지지된 광학 모드를 한정할 수 있다. 나노와이어 재료에서의 동체 요소(16)의 길이(l)는 소망의 광학 모드로 공진하는 레이저 파장을 한정할 수 있다. 일 예에서, 동체 요소(16)의 직경(d2)은 굴절률(n)을 가진 동체 요소(16)에서의 레이저 파장(λ/n) 의 2 배보다 크지 않게 선택된다. 전형적으로, 레이저 파장에 따라서, 동체 요소(16)의 직경(d2)은 100 내지 800 nm 의 범위로 선택될 수 있다. 제 1 반사층(18)은 50 내지 400 nm 범위의 두께(t)에서 선택될 수 있고, 마찬가지로 광학 모드 및 레이저 파장(λ)에 달려 있다.
나노와이어 레이저 구조체(10,10'), 전기적인 접촉부 및 도핑 프로파일(doping profile)의 전기적인 특성들은 소망되는 광학 레이저 모드들에 대하여 조절될 수 있고 맞춰질 수 있다. 나노와이어 공동에서 효율적인 밀도 반전(population inversion)을 달성하기 위하여, 캐리어 재조합(carrier recombination)은 전체 나노와이어를 따라서 광학 모드와 공간상으로 매칭(matching)될 수 있어서, 방사성 재조합(radiative recombination) 없이 잔류 부분들을 최소화하며, 상기 방사성 재조합은 흡수 영역으로서 작용할 수 있고 따라서 손실에 기여한다. 전자(electron)들이 통상적으로 홀(hole)보다 훨씬 높은 이동성을 가진다고 가정하면, 전자는 나노와이어를 따라서 대부분의 전기 전류를 유지한다. 결과적으로, 대부분의 방사성 재조합(radiative recombination)은 애노드에서 발생된다.
이러한 효과는 지지 요소(14)를 따른 그레이드 도핑 구조(graded doping structure)를 가지고 균형이 맞춰질 수 있다는 점이 발견되었다. 예를 들어, n 유형 지지 요소(14)는 캐소드에 인접하여 1020/cm3범위의 도핑 농도를 가지고 강력하게 도핑될 수 있고, 애노드를 향하여 점진적으로 더 약하게 도핑되어, 애노드에 인접하여 1017/cm3 범위의 도핑 농도에 도달한다. 그레이드 도핑(graded doping)은 나노와이어의 애노드 단부로의 전자 흐름을 감소시킬 수 있고, 따라서 보다 균질한 재조합에 이르게 되고, 따라서 우수한 광학 특성을 가진 보다 효과적인 나노와이어 레이저 구조체에 이른다.
높은 전자 이동성(electron mobility)은 나노와이어 레이저 구조체의 중심으로부터 이탈되게 펼쳐진 방사성 재조합으로도 이를 수 있으며, 이는 기본 광학 모드의 전자기 필드와 차선의 중첩(suboptimal overlap)을 초래할 수 있다. 이러한 효과는 동체 요소(16)에서의 2 개의 상이한 도핑들의 사용으로 역(counter)이 될 수 있다. 지지 요소(14)에 인접하여 동체 요소(16)의 내측 부분에 있는, 얇고 고도로 p 도핑된 층은 나노와이어 레이저 구조체의 중심에 전자와 방사성 재조합을 포착할 수 있다. 향상된 전기적 도전성을 위하여, 동체 요소(16)의 외측 영역은 p 도핑될 수도 있지만, 보다 적은 정도로 p 도핑될 수 있다.
도 5 는 도 1 내지 도 3 을 참조하여 위에서 설명된 나노나와이어 레이저 구조체(10)에 전체적으로 대응하지만, 동체 요소(16)에 있는 배리어 층(barrier layer) 및 지지 요소(14)에 있는 그레이드 도핑을 특징으로 하는 나노와이어 레이저 구조체(10")의 단면도이다.
도 5 에서 어둡게 음영 처리됨으로써 도시된 바와 같이, 지지 요소(14)는 지지 요소(14)의 캐소드 단부에서, 따라서 기판에 인접하여 보다 강력하게 n 도핑된다. n 유형 도핑의 레벨은 점진적으로 감소될 수 있는데, 예를 들어 캐소드 단부에서의 1020/cm3 로부터 지지 요소(14)의 애노드 단부에서의 1017/cm3 로 대수적으로(logarithmically)으로 감소될 수 있다.
도 5 에서 알 수 있는 바로서, 나노와이어 레이저 구조체(10")는 방사상의 n-i-p++-p 도핑 구조를 가진다. 동체 요소(16)는 그레이드 n 도핑된 지지 요소(14) 둘레에서 외피로서 연장된 내재 층(28)을 포함하며, 이것은 다시 고도로 p 도핑된 배리어 층(30)에 의해 둘러싸이는데, 배리어 층은 나노와이어 중심에서 전자 및 방사성 재조합을 포착하기 위하여 1019 /cm3내지 1020/cm3 범위의 p++ 도핑 농도를 가진다. 외측 층(32)은 더 가볍게 p 도핑되고, 향상된 전기적 도전성을 위하여 1017/cm3내지 1019/cm3범위인 도핑 농도를 가진다.
나노와이어 레이저 구조체(10")의 다른 모든 구성 요소들은 도 1 내지 도 3 을 참조하여 위에서 상세하게 설명된 것에 대부분 대응하며, 따라서 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
n-도핑된 지지 요소(14) 및 p 도핑된 동체 요소(16)를 가진 구성은 도 1 내지 도 3 및 도 5 를 참조하여 위에서 설명되었다. 그러나, 개시된 내용에 제한되지 않으며, 마찬가지로 n 도핑된 동체 요소(16)에 의해 둘러싸인 p 도핑된 지지 요소(14)를 가지면서, 선택적으로 그 사이에 내재 층(intrinsic layer)이 개재되어 있는 역의 구조를 포함한다.
예시적인 역의 구조(inverse configuration), p 도핑된 지지 요소(14)는 균일하게 도핑될 수 있고, n 도핑된 동체 요소(16)의 도핑 농도는 나노와이어 구조의 캐소드 단부로부터 애노드 단부로 점진적으로 감소될 수 있다. 기판(12)의 도핑은 역전될 수도 있다.
도 6a, 도 6b 및 도 7 은 나노와이어 레이저 구조체로부터 레이저 신호를 결합시키는 기술을 도시한다.
도 6a 는 도 2 의 구성에 전체적으로 대응하는 나노와이어 레이저 구조체(10)를 도시하며, 동일한 참조 번호는 대응하는 구성 요소들을 나타내는데 사용된다. 그러나, 도 6a 에 도시된 나노와이어 레이저 구조체(10)의 기판(12)은 지지 요소(14) 및 제 1 반사층(18)과 접촉되어 있는 추가적인 도파관 층(34)을 포함한다. 도파관 층(waveguide layer, 34)은 기판(12)의 최상부 층을 형성할 수 있고, 나노와이어 조사 파장(emission wavelength, λ/n)에 필적하는 두께를 가진 실리콘과 같은 고 굴절률 성장 기판(high refractive index growth substrate)을 포함할 수 있다. 제 1 반사층(18)은 위에 설명된 바와 같이 나노와이어 레이저를 위한 베이스 반사 층으로서 작용하는 반면에, 고 굴절율 도파관 층(34)은 성장 기판의 특성들과 도파관을 유지한다.
도 6a 에 도시된 나노와이어 레이저가 도파관(34)상에서 수직으로 성장한다면, 따라서 아래에 있는 도파관 층(34)에 직각이라면, 직각의 도파관 층(34)에 대한 동체 요소(16)에서의 안내된 모드들의 결합이 낮을 것이라는 점을 직관적으로 예상할 수 있다. 그러나, 동체 요소(16) 내부의 2 차, 3 차 및 4 차 도파관 모드들은 강력한 헬리컬 특성을 가지며, 따라서 현저한 평면내 웨이브 벡터 성분(in-plane wave vector component)을 가진다. 도 6b 의 삽도(inset)는 동체 요소(16)에 의해 지지된 헬리컬 모드(HE11, HE21, HE31, 및 HE41)들의 개략적인 단면도이다. 이러한 모드들의 가파른 입사각은 제 1 반사층(18)에서 높은 반사율을 결과시키며, 이는 쓰레숄드를 감소시키고 평면내 도파관 층(34)으로의 우선적인 조사를 일으킨다. 바람직한 광학적 모드들은 동체 요소(16)의 직경에 의해 맞춰질(tailored) 수 있다.
아래에 놓인 도파관 층(34)에 대한 결합은 도 7a 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 동체 요소(16) 아래의 위치에서 도파관 층(34)에 산란 대상물(scattering object, 36)을 배치함으로써 더욱 향상될 수 있다. 산란 대상물(36)은 리소그래피 또는 나노 임프린트 기술(nano imprint technologies)에 의하여 증착되거나 또는 도파관 층(34)에 에칭될 수 있다. 특히, 산란 대상물(36)은 비대칭 산란 대상물로서, 도 7a 에서 화살표로 표시된 것과 같이 미리 정해진 선호 방향으로 광을 조사한다.
격자(38)가 동체 요소(16)와 도파관 층(34) 사이의 결합을 향상시키는 역할을 하는 예는 도 7b 에 도시되어 있다. 도 7b 에서 알 수 있는 바와 같이, 격자(grating, 38)는 도파관 층(34) 및 제 1 반사 층(18)을 통해 연장되고 지지 요소(14)의 하부 부분을 둘러싼다. 격자(38)는 전송된 나노와이어 광의 회절(diffraction)을 일으킨다. 제로 차수 모드(zero order mode)가 동체 요소(16)로 되반사되어 레이저 작용에 기여하는 반면에, 더 높은 회절 모드들은 효율적으로 수평 도파관 층(34)에 진입할 수 있고, 그에 의하여 결합 효율을 증가시킨다.
위에 설명된 예에서, 지지 요소(14) 및 동체 요소(16)는 기판(12)의 상부 표면의 법선 방향을 따라서 연장된다. 이러한 구성은 실리콘(111) 표면상에서 지지 요소(14)의 성장으로부터 결과될 수 있다. 그러나, 실리콘(100) 표면과 같은 다른 성장 기판들은 도 7c 에 개략적으로 도시된 바와 같이 틸팅된 나노와이어(tilted nanowire)를 성장시키도록 이용될 수 있다. 도 7c 의 구성은 대부분 도 6a 의 구성에 대응하며, 지지 요소(14) 및 동체 요소(16)를 포함하는 나노와이어가 제 1 반사층(18) 및 기판(12)의 표면 법선(N)에 대하여 각도(α)로 경사진 점에서 구분된다. 실리콘(100) 표면상의 성장의 경우에, 각도(α)는 대략 71 도이다.
도 7c 에 도시된 틸트 나노와이어들은 통상적으로 도파관 층(34) 내부에서 내부 전반사(total internal reflection)을 겪는 각도로 조사하며, 따라서 높은 결합 효율을 달성한다. 더욱이, 도 7c 의 구성은 바람직스럽게는 단일 방향으로 (도파관 층(34)에서 화살표로 표시된 바와 같이 우측으로) 조사하며, 이는 일부 적용예에서 소망스러울 수 있다.
일부 실시예들에서, 도파관 층(34)은 Si 와 같은 반도체 재료로 형성될 수 있고, 나노와이어 레이저 구조체를 구동하기 위한 전기적인 연결은 도파관 층(34)에 직접적으로 적용될 수 있어서, 도파관 층(34)으로부터 연장된 지지 요소(14)와 전기적인 접촉을 확립한다.
대안의 구성에서, 지지 요소(14)는 도파관 층(34)을 통해 아래에 놓인 기판(12)으로 연장될 수 있고, 전기 연결은 기판(12)에 제공될 수 있다.
도 1 내지 도 7c 에 설명된 상기 구성들에서, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10',10")는 향상된 구조 안정성을 위하여 유전체 벌크 기판(dielectric bulk substrate) 으로 매립될 수 있거나 또는 그에 의하여 둘러싸일 수 있다. 유전체 벌크 기판은 접촉 층(20)과 같은, 전기적인 접촉을 확립하기 위한 접촉 층들을 지지할 수 있다. 유전체 벌크 층은 전기적인 연결을 위한 회로 경로를 포함할 수도 있다. 바람직스럽게는, 낮은 굴절률을 가진 재료가 채용될 수 있으며, 예를 들어 SiO2 또는 폴리머와 같은 것이 채용될 수 있다.
지금까지 실시예들은 기판상에서 성장된 단일 나노와이어를 참조하여 설명되었다. 그러나, 구조 및 제조 기술이 고도로 확장 가능하며(scalable) 나노와이어 레이저 구조체의 대형 어레이(array)를 제공하도록 채용될 수 있다는 점이 본 발명의 특히 유리한 점이다.
도 8 은 공통 기판(12)상의 복수개의 나노와이어 레이저 구조체(42)들을 포함하는 나노와이어 레이저 어레이(40)의 단면도이다. 도 8 의 구성에서, 4 개의 나노와이어 레이저 구조체(421 내지 424 )들이 도시되어 있다. 그러나, 이것은 단지 예시를 위한 것이며, 실제에 있어서 나노와이어 레이저 어레이(40)는 공통 기판(12)상에 수천 또는 심지어 백만의 나노와이어 레이저 구조체를 포함할 수 있다.
도 8 에서 알 수 있는 바와 같이, 나노와이어 레이저 구조체(421 내지 424 )들 각각은 전체적으로 도 1 내지 도 3 을 참조하여 위에서 설명된 구성들에 대응하며, n 도핑된 지지 요소(441 내지 444) 및 상기 개별의 지지 요소(441 내지 444)를 둘러싸는 p 도핑된 동체 요소(461 내지 464)를 가진다.
지지 요소(441 내지 444)들은 공통의 기판(12)을 통해 캐소드에 전기적으로 연결된다. 더욱이, 도 8 은 공통의 금속 접촉층(48)을 도시하는데, 이것은 동체 요소(461 내지 464)들 각각의 외측 표면을 덮고 인접한 나노와이어 레이저 구조체(421내지 424)사이에서 연장된다. 공통의 접촉층(48)은 애노드에 전기적으로 결합되고, 따라서 공통의 애노드 포텐셜이 나노와이어 레이저 구조체(421내지 424)의 동체 요소(461 내지 464) 각각에 적용될 수 있게 한다. 그러나, 이것은 하나의 예이고, 다른 구성에서 나노와이어 레이저 구조체(421내지 424)는 집합적이기보다는 개별적으로 접촉 및 어드레스(address)될 수 있다.
도 8 에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 나노와이어 레이저 구조체(421내지 424)는 개별의 상부 반사층(501내지 504)과 함께 상부면에 제공된다. 상부 반사층(501내지 504) 각각은 재료 및 디자인에서 도 3 과 관련하여 설명된 제 2 반사층(22)에 대응할 수 있다.
나노와이어 레이저 구조체(421 내지 424) 각각은 개별의 파장(λ1내지 λ4.)에서 레이저 광을 조사하도록 구동될 수 있다. 일부 구성에 있어서, 파장(λ1내지 λ4)이 일치할 수 있는 반면에, 다른 구성들에서, 나노와이어 레이저 어레이(40)의 상이한 나노와이어 레이저 구조체(421 내지 424)들이 상이한 파장(λ1내지 λ4)을 조사하도록 적합화되고 구동될 수 있다. 따라서 나노와이어 레이저 어레이(40)는 나노스케일(nanoscale)에서 세미-코히런트 광원(semi-coherent light source)으로서 채용될 수 있어서, 대규모 나노와이어 레이저 장치들을 가능하게 하는데, 이것은 오늘날의 반도체 레이저를 대체할 수 있고 몇 자리수로 많은 에너지 및 비용 효율적일 수 있는 잠재성을 가질 수 있다.
나노와이어 레이저 어레이(40)의 개별적인 나노와이어 레이저 구조체(421 내지 424) 사이의 구조적이고 파괴적인 간섭(constructive and destructive interference)은 나노와이어 레이저 어레이(40)의 원거리 조사 프로파일(far field emission profile)을 결정하며, 인접한 나노와이어 레이저 구조체들 사이의 분리(d) 및, 공통의 성장 기판(12)상에서의 상대적인 위치들을 신중하게 선택함으로써 적합화될 수 있고 맞춰질 수 있다. 그러한 나노와이어 레이저 어레이(40)는 매우 효율적인 광 프로젝터(light projector)로서의 역할을 할 수 있다.
인접한 나노와이어 레이저 구조체(421 내지 424) 사이의 피치(d)를 50 mm 인 것으로 가정하면, 실리콘 웨이퍼의 1 cm x 1 cm 단일 부재상에서 400 백만 나노와이어 레이저들의 모놀리식 통합(monolithic integration)은 오직 단일의 성장만을 필요로 하는 제조일 수 있다. 그것의 측정으로부터, 단일의 나노와이어 레이저는 적어도 20 nW 를 조사할 수 있다는 점이 발명자들에 의해 평가되었고, 따라서 나노와이어 레이저들의 1 cm x 1 cm 부재는 8 W 범위로 코히런트 광학 파워를 쉽게 조사할 수 있다.
어레이(40)의 조사 프로파일을 추가적으로 맞춤 제작(tailor)하기 위하여, 렌즈 구성이 채용될 수 있는데, 예를 들어 도 8 에 개략적으로 도시된 바와 같이 복수개의 상부 반사층(501 내지 504)의 위에 배치된 마이크로렌즈 어레이(microlens array) 또는 솔리드 이머젼 렌즈(solid immersion lens, 52)가 채용될 수 있다.
LED 다이오드의 어레이와 비교하여, 나노와이어 레이저 구조체는 점과 같이(point-like) 조사하며, 따라서 현저하게 높은 광도(luminosity)에 도달할 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이의 보조로써 원거리 필드(far field)를 형성하기 위하여, LED 로부터 알려진 기술이 채용될 수 있으며, 예를 들어 "울투라 슬림 어레이 프로젝터의 설계와 구현 (Design and realization of an ultra-slim array projector)"( M. Sieler 등, Microopics Conference (MOC), 2011 17th, 1-4. IEEE, 2011) 및 "조명의 고유한 균일화가 이루어진 울트라슬림 고정 패턴 프로젝터(Ultraslim fixed pattern projectors with inherent homogenization of illumination)(Applied optics 51, Nr. 1 (2012): 64-74)를 채용할 수 있다.
도 8 을 참조하여 설명된 실리콘상의 나노와이어 레이저 어레이들은 오늘날의 반도체 레이저 장치들의 재료 비용 및 에너지 소비를 고도로 감소시킬 수 있다. 더욱이, 그것의 큰 표면-대-체적 비율은, 통상적인 반도체 레이저 장치들의 최대 출력 파워를 통상적으로 제한하는 열을 소산시키는데 유용하다. 더욱이, 공기, 물, 액체 질소 또는 액체 헬륨과 같은 냉각 매체의 유동을 지지하기 위하여 인접한 나노와이어 레이저 구조체(421 내지 424) 사이에 냉각 채널(54)들이 형성될 수 있다. 냉각 채널(54)들의 사용은 에너지 소산을 더욱 향상시킬 수 있고, 따라서 더 높은 레이저 출력 파워에 도달할 수 있다.
도 1 내지 도 8 을 참조하여 위에서 설명된 예에서, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10") 및 나노와이어 레이저 어레이(40)는 레이저 광을 조사하기 위하여 채용되었으며, 따라서 광 송출기(light sender)로서 채용되었다. 그러나, 동일한 구성이 광 수신기(light receiver)로서 사용될 수 있다는 점이 당업자에게 명백할 것이다. 이것은 단지 전기적인 연결 및 배선이 역으로 될 것을 필요로 한다.
일부 적용예에서, 나노와이어 레이저 구조체(10,10', 10") 또는 나노와이어 레이저 어레이(40)는 이제 도 9 를 참조하여 설명될 초고속 펄스 조사(ultrafast pulse emission)를 위한 것과 같은, 간섭계 요소(interferometer element)에 광학적으로 결합될 수 있다.
도 9 의 개략적인 도면에서, 나노와이어 레이저 구조체(10)는 2 개의 가지(branches, 581 및 582)를 포함하는 간섭계 요소(56)에 광학적으로 결합되는데, 상기 가지들은 함께 폐쇄 루프를 형성하고 공통의 출력 경로(60)에 연결된다. 가지(581 및 582)는 나노와이어 레이저 구조체(10)에 의하여 조사된 레이저 광을 위한 광 경로를 제공한다. 가지(581 및 582)들이 정확하게 같은 광 경로 길이를 가지는 경우에, 광 경로들은 구조적으로 출력 경로(60)에서 간섭된다. 대향하는 도파관 단부에 반사 요소(62)를 제공함으로써, 나노와이어 레이저 구조체(10)로부터 조사된 코히런트 레이저 광은 간섭계 요소(56)에 저장될 수 있다. 예를 들어, 반사 요소(62)는 분배 브래그 반사기(distributed Bragg reflector)를 포함할 수 있다.
도 9 에서 알 수 있는 바와 같이, 제 2 가지(582)와 같은, 간섭계 요소(56)의 가지들중 하나에 광학 게이트(optical gate, 64)가 위치될 수 있다. 광학 게이트(64)는 광학적으로 또는 전기적으로 촉발될 수 있는 비선형 광학 매체(non-linear optical medium)를 포함할 수 있고, 활성화될 때 제 2 가지(582)에서 파이(π)의 위상 변화를 도입할 수 있다. 예를 들어, 게이트(64)는 전자 광학적 모듈레이터(electro-optical modulator, EOM)와 유사하게 촉발되고 제어될 수 있으며, 이것은 포켈스 효과(Pockels effect) 또는 케르 효과(Kerr effect)와 같은 비선형 효과를 이용하며, 수 기가헤르츠의 반복도를 가지고 작동될 수 있다. 양쪽의 경우에, 게이트 재료의 반사 지수(reflective index)는 간섭계 요소(56)의 게이트 가지(582)에서 광학 필드(optical field)의 위상을 변화시킬 수 있다. 이것은 잠재적으로 광학적 광 펄스에 의해 촉발될 수도 있다.
나노와이어 레이저 구조체(10)가 파장(λ)을 가진 광을 조사하는 반면에, 광학 게이트(64)는 λ/2의 파장을 가지거나 또는 대략 λ/2 의 파장을 가진 광에만 감수성이 있고 초기에 비활성화된다고 가정하면, λ/2 의 파장인 점화 펄스가 게이트(64)를 타격하자마자 비선형 효과는 광학 게이트(64)에서 위상 변화를 일으킬 수 있다. 이것은 간섭계 요소(56)의 출력 경로(60)에서 구조적인 간섭을 허용하며, 간섭계 요소(56)에 축적된 모든 에너지는 L/c 로 주어지는 시간 지속 기간내에 레이저 펄스의 형태로 조사될 수 있으며, 여기에서 L 은 간섭계 요소(56)의 광학 경로 길이이고, c 는 광의 속도를 나타낸다. L = 3 마이크로미터를 가정하면, 이것은 10 fs 펄스를 결과시킨다.
이러한 유형의 초고속 광 펄스는 고정밀 분광학(high precision spectroscopy), 광계측, 원자 시계 또는 신규한 GPS 기술에서의 적용을 위한 주파수 빗(frequency comb)을 발생시키도록 채용될 수 있다. 더욱이, 만약 높은 반복 비율로 발생된다면, 초고속 레이저 펄스는 광학 데이터 통신의 속도를 부스트(boost)시킬 수 있다.
도 10 은 도 9 를 참조하여 위에서 설명된 구성과 전체적으로 유사한 간섭계 요소(56')를 개략적으로 도시하지만, 높은 반복 비율로 레이저 펄스를 조사하기 위한 추가적인 피드백 경로(66)를 채용한다.
간섭계 요소(56)의 구성 요소들은 도 9 를 참조하여 위에서 설명된 것에 전체적으로 대응하며, 대응하는 요소들을 지시하는데 동일한 도면 부호가 사용된다. 그러나 추가적으로, 간섭계 요소(56')는 출력 경로(60)에 비선형 요소(68)를 포함한다. 비선형 요소(68)는 피드백 경로(66)에 의하여 광학 게이트(optical gate, 64)에 연결된다. 출력 경로(60)를 통해 간섭계 요소(56')를 떠나는 출력 펄스는 파장(λ/2)을 가진 비선형 요소(68)에서의 제 2 조화 신호를 발생시킬 수 있는데, 이것은 피드백 경로(66)를 통해 광학 게이트(64)로 피드백 된다. 다시 광학 게이트(64)가 폐쇄되었을 때, 새로운 펄스가 간섭계 요소(56') 안에서 형성되기 시작하며, 이것은 나노와이어 레이저 구조체(10)에 의하여 연속적으로 펌핑되고 있다. 피드백 경로(66)에서의 펄스가 광학 게이트(64)에 도달할 때, 광학 게이트(64)는 다시 짧은 출력 펄스를 발생시킬 것이다. 이러한 구성의 반복 비율은 광의 속도를 피드백 경로(66)의 광학적 길이로 나눈 것으로 주어진다. 10 마이크로미터의 피드백 경로(66)를 가정하면, 이것은 30 THz 정도의 반복 비율(repetition rate)을 결과시킨다. 30 THz 의 반복 비율을 가진 10 fs 펄스를 발생시키는 마이크로 장치는 초고속 통신 및 주파수 빗 발생을 향한 주된 단계이다.
위에서 설명된 나노와이어 레이저 구조체 및 레이저 어레이를 제조하기 위한 예시적인 기술이 이제 도 11 내지 도 13 을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
반도체 재료, 특히 실리콘상에서 나노와이어 레이저 구조체의 사이트 선택적인 성장(Site-selective growth)은 미래의 광자 장치(photonic devices)에 대하여 이해 관계가 있다. 레이저 작동을 위한 충분한 반사율을 달성하도록, 지지 요소들을 하우징하는 얇은 홀(hole)들이 제 1 반사층(18)에 제조될 필요가 있다. 일 예로서, 대략 80 nm 의 직경을 가진 홀들이 대략 200 nm 두께의 SiO2 층으로 제조될 필요가 있을 수 있다. 이러한 과정에서의 문제는 아래에 있는 제 1 반사층(18) 보다 더 빠르게 쉽게 에칭되는 레지스트(resist)의 한정된 저항성(resistivity)으로부터 초래된다.
도 11 및 도 12 를 참조하면, 수직 공동(vertical-cavity) 나노와이어 레이저로부터의 레이저 작용이 가능해지는 방식으로 나노와이어를 실리콘상에 모노리식으로 통합시키기 위하여, 대략 200 nm 두께 또는 더 두꺼운 두께를 가진 예시적인 SiO2 층에 실행 가능한 초박형(100 나노미터 이하) 개구를 달성할 수 있는 제조 과정이 설명될 것이다.
도 11a 는 실리콘(111) 기판(12)상에 형성된 200 nm 두께의 SiO2반사층(18)을 도시한다. 반사층(18)은 1000 내지 4000 rpm 범위의 고속 회전 속도 및 2 내지 4 분의 스핀(spinning) 지속 기간을 이용하여 포지티브 전자 빔 레지스트(positive electro-beam resist) ZEP 520A 로 스핀 코팅될 수 있다. 이후에, 레지스트 층을 베이킹(baking)하도록 3 분 동안 대략 섭씨 150 도의 온도인 핫플레이트(hotplate)상에 샘플이 놓일 수 있다. SiO2 반사층(18)의 상부에 있는 ZEP 레지스트 층은 대략 300 내지 400 nm 의 두께로 형성될 수 있다. 높은 에칭 저항성 및 우수한 해상도(resolution)에 기인하여, 이러한 유형의 레지스트는 SiO2 에서의 깊은 홀의 에칭에 필요한 강력한 에칭 과정에 매우 적절하고, e 비임 리소그래피에서 전형적으로 사용되는 통상적인 PMMA 보다 우수하게 수행되는 것으로 밝혀졌다.
스핀 코팅 및 베이킹 이후에, 100 나노미터 미만의 넓은 구멍(70)은 우수한 리소그래피 품질을 위하여 캘리브레이션된 조사량(dose)으로 표준적인 전자 비임 리소그래피를 이용하여 ZEP 레지스트 층(72)에 노출된다. 대응하는 구성은 도 11b 에 도시되어 있다.
용이한 제시를 위하여, 원형 개구를 가진 홀들에 대한 기술이 설명된다. 그러나, 사각형 또는 육각형 단면을 가진 홀들이 마찬가지로 형성될 수 있다.
만약 도 8 을 참조하여 위에서 설명된 나노와이어 레이저 어레이(40)와 같은, 나노와이어 레이저들의 어레이가 동일한 기판(12)상에 형성되어야 한다면, 다수의 홀(70)들은 나란히 있는 동일한 e 비임 리소그래피 단계에서 제조될 수 있다. 이러한 경우에 최소의 홀 거리(hole separation)는 제조되어야 하는 나노와이어 레이저 구조체의 동체 요소(16)의 직경보다 크게 선택되어야 하는데, 이는 인접한 나노와이어 레이저 구조체들의 소망스럽지 않은 병합 또는 합침(coalescing)을 방지하기 위한 것으로서, 그러한 병합 또는 합침은 모드 제한(mode confinement)의 저하(deterioration) 및 이조(detuning)를 초래할 수 있다. 350 nm 이상의 범위인 최소 거리에서 우수한 결과들이 달성될 수 있다. 1 마이크로 이상의 범위인 큰 거리는 개별적인 나노와이어 레이저 구조체들에 전기 접촉부가 제공되어야 하는 경우에 채용될 수 있다. 나노와이어 레이저들 사이에 결합이 필요한 적용예들에 대하여, 100 nm 보다 크지 않은 간격이 채용될 수 있다. 그러한 구성에서, 나노와이어 레이저들은 그들의 광학 근접 필드(optical near field)에 의하여 결합될 수 있고, 따라서 광학적 위상을 교환할 수 있다. 위상 정보 전달은 완전한 코히런트 장치들을 위한 모든 나노와이어 레이저들 사이에서 공통의 위상을 확립하는데 이용될 수 있거나, 또는 매우 복잡한 조사 다이나믹(emission dynamics)을 달성하여 크립토그래피(cryptography) 적용예를 위한 혼돈 광 조사 (chaotic light emission)에 이를 수 있다.
구조체는 e 비임 노출 위치들에서만 레지스트를 제거하도록 ZED-N50 용액에서 현상되고, 그에 의하여 ZEP 층에 홀 프로파일을 도입할 수 있다. 불소 기체(C4F8)에 의한 이방성 반응 이온 에칭(anisotropic reactive ion etching, RIE) 과정을 이용함으로써, 상기 프로파일은 아래에 있는 SiO2반사층(18)으로 전달될 수 있다. 기판(12)의 표면으로까지 RIE 에칭 과정을 완성하지 않는 것이 유리하다는 점이 발견되었는데. 왜냐하면 그것은 손상을 일으킬 수 있고 소망되는 품질로의 나노와이어 구조체들의 성장 및 결정핵형성(nucleation)을 방해할 수 있기 때문이다. RIE 에칭 과정은 도 11c 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 홀(70)들의 저부가 기판(12)의 상부 표면 위에서 5 내지 10 nm 로 끝나는 방식으로 완료될 수 있다.
RIE 에칭 과정을 위한 과정 파라미터(process parameter)는 개별의 RIE 과정 챔버 설계에 기초하여 최적화될 수 있다. 예를 들어, 섭씨 15 도의 온도, 대략 2 x 10-5 mbar 의 압력, 대략 400 W 의 유도성 결합 플라즈마 (inductive coupled plasma, ICP) 순방향 전력, 대략 100 W 의 RF 발전기 순방향 전력, 대략 10 sccm 의 헬륨 지원 및, 대략 344 V 의 DC 바이어스 전압을 가지고 우수한 결과가 얻어질 수 있다.
ZEP 레지스트 층(72)의 저항률(resistivity)은, 에칭 단계의 지속 기간에 현저한 의존성을 가지고, 에칭 단계마다의 에칭 시간을 감소시키는 것과 함께 일반적으로 증가된다는 점이 발견되었다. 전체적인 홀 에칭을, 4 x 15 초, 1 x 10 초 및 1 x 7 초인 시퀀스를 가진 6 개의 차후 단계들로 나눔으로써 우수한 결과가 얻어질 수 있었다.
레지스트는 초음파 처리중에 대략 5 분 동안 ZDMAC 용액에서의 리프트-오프(lift-off) 과정에 의해 제거될 수 있다.
홀(70)들의 저부에서 나머지 5 내지 10 nm 의 SiO2 는 풀루오린화수소산(HF) 에칭 과정에 의하여 차후에 제거될 수 있는데, 이것은 캘리브레이션 양(calibration run)에 기초하여 신중하게 조절될 수 있는 에칭 비율로 이루어진다. 도 11d 에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(12)의 인터페이스에서 바로 습식 화학적 에칭 단계를 종료시킬 수 있도록, 0.5 내지 3.5 nm 의 범위인 매우 낮은 에칭 비율로 우수한 결과가 얻어질 수 있었다. 제어되지 않은 에칭 비율 또는 너무 높은 에칭 비율은, HF 화학적 에천트(etchant)의 등방성 특성에 기인하여, 강한 언더에칭(underetching)에 이를 수 있다. 더욱이, 바로 기판 인터페이스에서 HF 에칭 단계를 종료하는 것은 실리콘 기판(12)상의 매끄러운 크리스탈 표면에 이르게 되는데, 이것은 차후의 나노와이어 성장 과정에서 도움이 된다.
짧은 산소 플라즈마 에칭 단계 및, 아세톤 및/또는 이소프로파놀을 포함할 수 있는 차후의 용해 세정에 있어서, 모든 잔류 유기 물질은 제거되고, 홀(70)로부터 저부-상부 나노와이어 레이저 구조체의 성장을 위하여 샘플이 준비된다. 복수의 에피택시얼 기술(epitaxial techniques)이 나노와이어 레이저 구조체(10)의 성장에서 채용될 수 있으며, 분자 비임 에피탁시(molecular beam epitaxy, MBE) 또는 금속-유기 화학적 증기 증착(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)을 포함한다.
발명자들은 많은 통상적인 나노와이어 성장 기술들에 반하여, 골드 금속 촉매 사용을 억제함으로써 우수한 결과가 달성될 수 있음을 발견하였다. 이유는 3 가지이다: (i) 현존의 CMOS 플랫폼상에서의 통합(integration)이 소망된다면 골드는 CMOS 에 용이하게 양립되지 않는다; (ii) 골드는 반응성이 있고 아래에 있는 Si 기판(12)을 에칭시킬 수 있어서, 소망스럽지 않은 결함을 일으킨다; (iii) 골드 촉매의 존재는 나노와이어 레이저 공동의 반경 방향 성장의 형성을 억제할 수 있다. 발명자들은 자체 촉매 성장 과정 또는 완전하게 촉매가 없는 성장 모드 (catalyst-free growth mode)로써 더 낳은 결과를 얻었다.
결국, 그룹 III/그룹 V 의 반도체로부터 만들어진 나노와이어 레이저 구조체(10)의 성장 과정이 설명되지만, 당업자는 다른 반도체 재료로부터 나노와이어 레이저 구조체를 제조하도록 유사한 기술이 채용될 수 있음을 이해할 것이다. 자체 촉매 성장 과정에서, 그룹 III 의 원소는 결정핵생성 단계(nucleation step) 동안 홀(70) 안에서 금속 액적 시드를 형성할 수 있다. 이러한 시드 액적은 GaAs 또는 InGaAS 에 기초한 나노와이어 레이저들이 소망되는지의 여부에 따라서, Ga 또는 In 을 포함할 수 있다. 유전성 SiO2 층(18)상이 아닌, 홀(70) 내부에서만 금속 액적의 형성을 증진시키기 위하여, 성장 온도가 선택될 수 있다. 섭씨 500 도의 범위 및 그 이상에서의 높은 기판 온도를 사용함으로써, 우수한 성장 선택성이 달성될 수 있다. 일단 홀(70) 안에서 액적이 형성되었다면, 다음에는 실리콘(111)상의 결정학적 평면(111)을 따른 우선적인 나노와이어 성장 방위에 기인하여, 수직 방향에서 나노와이어 성장이 증진될 것이다. 나노와이어는 처음에 예를 들어 5 내지 20 마이크로미터와 같이, 1 마이크로미터 또는 그 이상의 길이로 성장될 수 있어서, 나노와이어 레이저 공동의 길이를 한정한다. 이러한 경우에, 지지 요소(14)의 전형적인 직경은 성장 조건에 따라서, 예를 들어 III-V 플럭스/압력 및 온도에 따라서, 대략 20 내지 150 nm 의 범위에 있을 수 있다. 이러한 직경 범위는 통상적으로 유효한 모드 제한(mode confinement)을 허용하기에 불충분하다. 그러나, 내측 나노와이어 지지 요소(14)의 성장 이후에, 나노와이어 구조체를 넓히고 그에 의하여 동체 요소(16)를 형성하기 위하여, 성장 과정은 축방향 성장으로부터 측방향(lateral) 성장으로 변화될 수 있다. 이것은 면-의존적(facet-dependent) 성장율 차이를 이용하고 III-V 화합물 반도체 나노와이어의 {110} 또는 {112} 안정 평면들을 따라서 반경 방향 성장을 유도하도록, 성장 온도를 내림으로써 달성될 수 있다. 바람직한 측방향 성장이 이루어지는 국면에서도, 나노와이어 구조체의 상부 단부에서 일부 제한된 축방향 성장이 여전히 발생될 수 있으며, 이는 동체 요소(16)가 지지 요소(14)를 상부 단부에서도 둘러싸고 덮는 것을 보장하는데 도움이 될 수 있다. 기본 광학 모드들의 소망되는 광학 제한에 의존하여, 방사상의 성장은 200 nm 이상의 범위인 동체 요소(16)의 직경을 결과시킬 수 있으며, 예를 들어 GaAs 및 InGaAs 에 기초한 나노와이어들에 대하여 300 내지 600 nm 일 수 있다. 이러한 방사상 성장(radial growth) 단계 동안에, 성장이 그룹 V 의 농후 조건하에서 발생되도록 그룹 V 의 압력/플럭스가 증가될 수 있다. 이것은 V 농후의 성장 환경이 나노와이어 성장의 정면에서 자체 촉매 금속 액적을 소비하고, 따라서 정반사의 거울-같은 끝 면(specular mirror-like end facet)에 이르게 되는 추가적인 장점을 가진다.
결과적으로 복수개의 나노와이어 레이저 구조체(421 내지 424)를 가진 나노와이어 레이저 어레이(40)가 얻어지는데, 개별의 동체 요소(16)는 SiO2 반사층(18) 위에서만 측방향으로 연장되고, 개별의 동체 요소(16)를 아래의 기판(12)에 연결시키는 깔때기 같은 지지 요소(14)를 베이스에서 가지게 된다. 위에서 설명된 바와 같이, 유전성 반사 층(18) 위에서 90 % 보다 큰 제한 계수(confinement factor)를 가진 우수한 도파관 특성을 동시에 유지하면서, 나노와이어 레이저 구조체(421 내지 424)는 실리콘 기판(12)에 고정된다.
변형예에서, 자체 촉매 액적(self-catalyzed droplets)의 사용 없이 성장이 진행될 수 있다. 이러한 경우에, 나노와이어 레이저 공동의 치수는 성장률에서의 면-의존적 차이(facet-dependent differences) 사이의 경쟁에 의해 주어질 수 있다. 우수한 조건하에서, 나노와이어의 성장은 수직 방향 및 방사 방향에서 동시에 발생될 수 있다. 이것은 도 11e 를 참조하여 위에서 설명된 자체 촉매 성장 과정에 반대로, 공동이 단일의 성장 단계에서 성장될 수 있는 장점을 유지한다. 촉매 없는 성장 모드(catalyst-free growth mode)는 축방향 성장률과 방사상 성장률 사이의 비율(R)을 r=10 내지 150 의 범위로 유도하는 성장 조건을 선택함으로써 구현될 수 있다. 이러한 경우에, 나노와이어 성장 정면은 당연히 거울 같은 매끄러운 끝 면(a mirror-smooth end facet)을 형성할 것이다. 성장이 완료된 이후에, 레이저 장치의 퀀텀 효율(quantum efficiency)을 증가시키기 위하여, 넓은 밴드 갭 물질(band gap material)이 나노와이어 표면을 패시베이션(passivation)시키도록 채용될 수 있다.
나노와이어 레이저 구조체를 형성하는 방법의 기본적인 단계들은 도 12 의 흐름도에 개략적으로 요약되어 있다.
단계(S10)에서, 제 1 반사층(18)이 기판층(12)상에 형성된다. 제 2 단계(S12)에서, 제 1 반사층(18)에 홀(70)이 형성되는데, 홀(70)은 기판층(12)으로 연장된다. 제 3 단계(S14)에서, 나노와이어 레이저 구조체(10/42)는 홀(70)에서 성장되는데, 나노와이어 레이저 구조체(10/42)를 성장시키는 것은 제 1 직경(d1)으로 제 1 반사층(18)을 통하여 홀(70) 안에서 지지 요소(14/44)를 성장시키고, 지지 요소(14/44)를 제 1 반사층(18) 위로 연장시키고, 제 1 반사층(18) 위로 연장된 지지 요소(14/44)의 적어도 일부 둘레에서 동체 요소(16/46)를 성장시키는 것을 포함하며, 여기에서 동체 요소(16/44)는 제 1 직경(d1)의 적어도 2 배인 제 2 직경(d2)을 가진다.
도 6a 내지 도 7c 를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 기판(12)이 도파관 층(34)을 포함하는 경우에, 도 11 내지 도 12 를 참조하여 위에서 설명된 것과 동일한 방법으로 제조가 진행될 수 있으며, 여기에서 반사층(18)은 도파관 층(34)상에 형성되고, 홀(70)은 도파관 층(34)으로 연장된다.
SiO2와 같은 유전층에 깊은 나노 통공 (nano-apertures)을 구현하는 다른 예시적인 기술은 도 13a 내지 도 13g 를 참조하여 개략적으로 설명될 희생 나노와이어 성장 기술(sacrificial nanowire growth technique)이다. 이러한 기술은 작업자가 고급 나노메트릭 리소그래피 기술에 접근할 수 없을 때 또는 통상적인 e 비임 또는 나노 임프린트 리소그래피에 의해 소망의 깊은 홀을 달성할 수 없을 때 특히 유용할 수 있다.
도 13a 에 도시된 바와 같이, 얇은 유전성 마스크 층(74)은 실리콘 기판(12)과 같은 기판층상에 e 비임 리소그래피 또는 나노 임프린트 리소그래피(nano imprint lithography)에 의하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 유전성 마스크 층(74)은 5 내지 30 nm 범위의 두께로 SiO2 를 포함할 수 있다. 도 13a 에 더 도시된 바와 같이, 홀(78)을 가진 패턴 레지스트 층(patterned resist layer, 76)은 유전성 마스크 층(74)상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 레지스트 층(76)은 PMMA 를 포함할 수 있다.
차후의 반응성 이온 에칭(RIE) 및/또는 풀루오르화수소산(HF) 에칭이 채용되어 홀(78)을 유전성 마스크 층(dielectric mask layer, 74)을 통하여 실리콘 기판(12)의 상부 표면으로 연장시킬 수 있다. (레지스트 층(76)의 제거 이후에) 결과적인 구조는 도 13b 에 도시되어 있다.
도 13c 에 도시된 바와 같이, 다음에 희생 나노와이어 구조체(80)는 홀(78) 안에서 수직 방향으로 성장한다. 이러한 희생 나노와이어 구조체(80)는 단지 수백 나노미터로 높을 필요성이 있으며, 특히 제 1 반사층(18)의 소망 두께만큼 높다. 희생 나노와이어 구조체(80)는 대략 200 nm 의 최대 직경으로 성장될 수 있고, 바람직스럽게는 습식 화학법에 의해 쉽게 에칭될 수 있거나, 또는 소망의 제 1 반사층(18)의 개별적인 분해/용해 온도 아래의 온도에서 열적으로 분해되는 재료로 구성된다. 예를 들어, 희생 나노와이어 구조체(80)는 InAs, InGaAs, 또는 GaAs와 같은, 그룹 III/그룹 V 의 반도체 재료의 조합으로 형성될 수 있다. 이러한 나노와이어들은 섭씨 400 내지 800 도의 온도에서 진공 조건 및 대기 조건하에서 열적으로 증발될 수 있으며, 따라서 섭씨 1000 도에서 SiO2 를 승화시키는 개시 온도 훨씬 아래이다. 희생 나노와이어(80)를 포함하는 결과적인 구조는 도 13c 에 도시되어 있다.
일단 희생 나노와이어 구조(80)들이 성장되었다면, 차후 단계에서 두꺼운 유전층(82)은 도 13d 에 개략적으로 도시된 바와 같이 유전성 마스크 층(74) 및 희생 나노와이어 구조체(80) 상에서 성장될 수 있다. 희생층(82)의 성장은, 스퍼터링, 플라즈마 인핸스드 화학적 증기 증착(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD), 원자층 증착(ALD) 또는 금속 유기 화학적 증기 증착(MOCVD) 또는 분자 비임 에피탁시(MBE)와 같은 에피탁시 기술을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전층(82)은 200 nm 이상의 두께로 SiO2 또는 SiN 을 포함할 수 있다. MBE 및/또는 MOCVD 와 같은 에피탁시 기술의 사용은 분배 브래그 반사기(distributed Bragg reflector) 및/또는 높은 콘트라스트의 격자를 포함하는 유전층(82)을 형성할 수 있게 한다.
도 13d 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 희생 나노와이어 구조체(80)는 그것의 모든 면(facet)에서 유전층 디포짓(dielectric layer deposit 82)에 의하여 기생적으로(parasitically) 덮일 수 있다. 소망의 유전성 미러 층(18) 위에 돌출된 희생 나노와이어 구조체(80)의 측벽들상의 기생 디포짓을 최소화하기 위하여, 원자층 증착과 같은 더 균질의 기술보다는, 유전층(82)을 형성하기 위한 고도로 방향 지향적인(highly directional) 스퍼터링 기술을 채용하는 것이 유리하다는 점이 발명자들에 의해 발견되었다. 이것은 법선에 가까운 입사(incidence)하의 목표물(target)로부터의 스퍼터링이 희생 나노와이어 구조체(80)의 상부면(top facet)상에 실질적으로 유전층 물질(82)을 가지면서 항상 기생 유전체의 이방성 성장을 더 초래하지만, 도 13d 에 개략적으로 도시된 바와 같이 측면(side facets)에서는 유전성 물질의 상대적으로 얇은 층들만이 있게 되기 때문이다. 대조적으로, 원자층 증착은 희생 나노와이어 구조체(80)의 둘레 모두에 균일하게 분포된 기생 유전층(82)들을 가지는 보다 균일한 성장을 항상 초래한다.
차후의 단계에서, 예를 들어 버퍼링(buffering)된 풀루오린화수소산(HF)을 채용함으로써, 희생 나노와이어 구조체(80)상의 유전층(82)의 기생 디포짓이 에칭될 수 있다. 버퍼링된 HF 용액 안에 샘플을 매우 짧게 담그는 것이 희생 나노와이어 구조체(80)로부터 유전체(82)의 얇은 기생층을 제거하기에 충분하다는 점이 발명자들에 의해 발견되었다. 결과적인 샘플은 도 13e 에 도시되어 있다. 기판(12)상에 남은 유전층은 소망의 두께로 제 1 반사층(18)에 대응한다.
샘플은 이제 대략 섭씨 800 도의 범위에서 온도를 제공할 수 있는 어닐링 장치(annealing device)로 이전될 수 있다. 이러한 온도에서, 희생 나노와이어 구조체(80)는 열적으로 용해된다. 예를 들어, 10-6 내지 10-9 Torr 의 고진공에서 GaAs 희생 나노와이어(80)의 열적 분해는 섭씨 650 도 내지 750 도 범위의 어닐링 온도를 필요로 한다. 발명자들은 현장에서 질량 분석법(mass spectrometry)과 같은 것으로 어닐링 과정중에 증발하는 종(species)을 모니터하는 것이 도움이 됨을 발견하였다. 일단 질량 분석기에서 증발하는 종들의 측정 가능한 자취가 더 이상 검출되지 않는다면 어닐링 과정은 완료된 것으로 간주될 수 있다. 이것은 어닐링 과정의 시간 지속 기간을 판단할 수 있게 한다.
어닐링 단계는 도 13f 에 도시된 구성을 남기는데, 얇은 나노홀(nano-hole, 84)의 형상 및 직경은 희생 나노와이어 구조체(80)의 직경에 대응하고 전체 반사층(18)을 통하여 기판(12)으로 연장된다.
도 13a 내지 도 13f 를 참조하여 위에서 설명된 기술에 의하여, 100 nm 이하의 범위인 직경을 가진 얇은 나노홀(84)은 200 nm 또는 그 이상의 두께인 유전 반사층(18)에 형성될 수 있다.
나노홀(84)에서의 복수개의 나노와이어 레이저 구조체(421 내지 424)의 성장은 도 11e 를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 진행될 수 있어서, 도 13g 에 개략적으로 도시된 나노와이어 레이저 어레이(40)를 결과시킨다.
도 13a 내지 도 13g 를 참조하면, 매우 얇은 초기 유전 마스크 층(74)을 포함하는, 희생 나노와이어 성장 기술이 설명되었다. 마스크 층(74)은 부위 선택적인 성장(site-selective growth)을 지원하는데 도움이 된다. 그러나, 대안으로서, 희생 나노와이어 성장 기술은 초기의 유전 마스크 층(74) 없이 진행될 수도 있다. 이러한 경우에, 예를 들어 실리콘 기판(12) 상에서의 직접적인 금속 시드 액적(metal seed droplets)의 형성을 포함하는 자체 촉매 성장 과정에 의하여, 희생 나노와이어 구조체(80)가 기판상에서 저부로부터 상부로 직접적으로 성장된다.
도 11 내지 도 13 을 참조하여 위에서 설명된 수직 나노와이어 성장은 실리콘(111) 기판으로부터 시작함으로써 가장 잘 달성될 수 있다. 다른 예시적인 제조 기술은 완전히 CMOS 양립 가능한 플랫폼상에서 나노와이어 레이저 어레이 또는 나노와이어 레이저 구조체들의 제조에 특히 적절하며, 이는 항상 실리콘(100) 표면상에서의 제조를 필요로 한다. III-V 나노와이어들은, 아래에 있는 기판의 결정학적 방위(crystallographic orientation)에 독립적으로, (111) 결정 방위를 따라서 성장하는 고유의 열역학적으로 유리한 경향을 가진다. 따라서, Si(111)상에서 수직으로 성장하는 동안에는, Si(100)상에서 성장했을 때의 표면 법선으로부터 79 도로 경사진 방향으로 항상 성장한다.
Si(100)상에 수직으로 방위가 잘 정해진 나노와이어 레이저 구조체를 구현하기 위하여, (100) 결정학적 방위로 나노와이어 성장을 강제할 필요가 있다. 이것은 Si(100) 기판상에 직접적으로 SiO2 또는 SiN 과 같은 유전체로부터 만들어진 희생 중공형 마이크로튜브 기둥(sacrificial hollow microtube pillars)을 이용함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 대략 최종적인 나노와이어 레이저 공동(cavity)의 크기인 사이즈를 가지고 잘 형성된 마이크로필라(micropillar)의 어레이는 Si(100) 기판의 유도 결합 플라즈마(inductive coupled plasma, ICP) 에칭 또는 표준적인 딥 반응성 이온 에칭(standard deep-reactive ion etching, RIE)에 의해 형성될 수 있으며,이것의 길이는 길이는 10 마이크로미터 또는 그 이상이고 수백 나노미터의 직경을 가진다. 이것은 이미 3 세대 Si 기초 나노구조 광휘발성 적용예에 대하여 제시되었다. Si 마이크로기둥을 SiO2 층으로 코팅하도록 플라즈마 인핸스드 화학적 증기 증착(PECVD) 성장 또는 음이온 산화를 사용할 수 있다. 차후 단계에서, SiO2/Si (100) 마이크로필라의 코어는 선택적인 습식 화학적 에천트(etchant)에 의하여 선택적으로 에칭될 수 있으며, 그에 의하여 중공 실린더형 SiO2 마이크로튜브(microtube)를 남긴다. Si(100) 플랫폼상에 이러한 마이크로튜브를 채용하여, III-V 화합물 반도체 나노와이어 레이저의 성장은 중공형 개구 내부에서 증진될 수 있다. 중공 튜브 둘레의 전체 표면 영역은 SiO2 와 같은 유전성 마스크 층으로 이루어질 수 있다. 이것은 성장 종(growth species)들이 마스크 층에 부착될 수 없고 드러낸(naked) Si(100) 표면이 노출되는 영역에서만, 즉, 튜브 개구 내측에서만 성장하는 것을 보장할 수 있어서, 선택적인 영역의 성장이 초래된다. 일단 튜브 길이에 의해 결정되는 길이로 나노와이어 레이저 구조체가 상기 나노와이어 개구들 안으로 성장된다면, 도 13d 를 참조하여 위에서 설명된 기술과 유사하게, 샘플은 차후에 두꺼운 유전성 미러로 코팅된다. 유전성 미러 층은 200 nm 또는 그 이상의 두께로 형성될 수 있다. 마이크로튜브상의 SiO2 외피(shell)의 두께가 너무 두껍지 않은 한, 바람직스럽게는 50 nm 보다 작은 한, 차후의 풀루오린화수소산(HF) 에칭에서 SiO2 마이크로튜브 벽과 함께 제거될 수 있어서, 유전체 미러/Si(100) 템플레이트 (template) 의 상부에서 나노와이어 레이저 구조체를 결과시킨다.
도 7c 를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 수직이 아닌 나노와이어 레이저 구조체(10)는 높은 등급(higher order)의 모드를 아래에 놓인 도파관 층(34)에 결합시키는 것을 증진시키는데 유리할 수 있다. Si(100)상에서 III-V 나노와이어들의 내재적인 경사 성장(inclined growth)은 틸트된(tilted) 나노와이어 레이저 구조체(10)를 달성하는 단순하고 매우 효과적인 수단으로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 위에서 설명된 자체 촉매의 직접적인 저부-상부 과정과 유사하게, Si(100) 기판상에서 직접적으로 III-V 나노와이어 레이저 구조체(10)를 성장시킬 수 있어서, 표면 법선에 대하여 79 도로 틸트된 나노와이어 레이저 구조체가 결과된다. 차후 단계에서, 이전에 설명된 바와 같이 두꺼운 유전성 반사층(18)이 나노와이어 층 둘레에 형성될 수 있다.
바람직한 실시예들에 대한 설명 및 도면들은 본 발명 및 그것과 관련된 유리한 효과들을 나타내는 역할만을 할 뿐이며, 그 어떤 제한도 의미하지 않는다는 점이 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위로부터 결정되어야 한다.
10.10',10" 나노와이어 레이저 구조체 12. 기판
14. 지지 요소, 코어 16. 동체 요소, 외피
18. 제 1 반사층 20. 접촉 층
22. 제 2 반사층 24. 방사상 pn 접합
26. 측방향 pn 접합 28. 동체 요소(16)의 내재층
30. 동체 요소(16)의 격벽 층 32. 동체 요소(16)의 외측 층
34. 도파관 층 36. 산란 대상물
38. 격자(grating) 40. 나노와이어 레이저 어레이
421-424 나노와이어 레이저 어레이(40)의 나노와이어 레이저 구조체
441-444 나노와이어어 레이저 구조체(421-424 )의 지지 요소
461-464 나노와이어 레이저 구조체(421-424 )의 동체 요소
48. 공통의 접촉층
501-504. 나노와이어 레이저 구조체(421-424 )의 상부 반사층
52. 렌즈 54. 냉각 채널
56. 56'. 간섭계 요소
581, 582. 간섭계 요소(56, 56')의 가지(branches)
60. 간섭계 요소(56, 56')의 출력 경로 62. 반사 요소
64. 광학 게이트 66. 피드백 경로
68. 비선형 요소 70. 홀(hole)
72. 레지스트 층 74. 유전 마스크 층
76. 레지스트 층 78. 홀
80. 희생 나노와이어 구조체(sacrificial nanowire structures)
82. 유전 층(dielectric layer) 84. 나노 홀

Claims (15)

  1. 기판(12);
    상기 기판(12)으로부터 연장되고, 제 1 직경(d1)을 가지는, 신장된 지지 요소(14; 441-444); 및,
    상기 지지 요소(14; 441-444)상에서 및/또는 상기 지지 요소(14; 441-444) 둘레에서 연장되고, 상기 제 1 직경(d1)보다 적어도 2 배 큰 제2 직경(d2) 을 가지는, 신장된 동체 요소(16; 46-464);를 포함하고,
    상기 동체 요소(16; 461-464)는 상기 기판(12)으로부터 이격되는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421-424).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동체 요소와 상기 기판(12) 사이에 제 1 반사층(18)을 더 포함하는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421-424).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 반사층(18)은 분배 브래그 반사기(distributed Bragg reflector) 및/또는 고 콘트라스트 격자(high contrast grating)를 포함하는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421-424).
  4. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    pn 접합(24,26) 또는 pin 접합을 더 포함하는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421-424).
  5. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421 -424)는 파장(λ)의 레이저 신호를 조사하도록 구성되고, 상기 지지 요소(14; 441 -444)의 상기 제 1 직경(d1)은 λ/(2 n) 보다 작고, n 은 상기 지지 요소(14; 441 -444)의 굴절률을 나타내는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421 -424).
  6. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(12)으로부터 이탈되게 향하는 상기 동체 요소(16; 461-464)의 측에서 상기 동체 요소(16; 461-464) 위에 형성된 제 2 반사층(22; 501-504)을 더 포함하는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421-424).
  7. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판(12)은 도파관(34)을 포함하고, 상기 지지 요소(14; 441-444)가 바람직스럽게는 상기 도파관(34)으로부터 연장되는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421-424).
  8. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    상기 동체 요소(16; 461-464)에 광학적으로 결합되고, 함께 폐쇄 루프를 형성하는 제 1 레이저 신호 경로(581) 및 제 2 레이저 신호 경로(582)를 포함하는, 간섭계 요소(56, 56');
    상기 제 1 레이저 신호 경로(581) 및 상기 제 2 레이저 신호 경로(582)에 결합된 출력 경로(60); 및,
    상기 제 2 레이저 신호 경로(582)에 위치되고, 상기 제 2 레이저 신호 경로(582)의 굴절률을 선택적으로 변화시키도록 구성된, 게이트 요소(64);를 더 포함하는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421 -424).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 출력 경로(60)를 상기 게이트 요소(64)에 결합시키는 피드백 경로(feedback path, 66)를 더 포함하는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421-424).
  10. 전기한 항들중 어느 한 항에 따른 복수개의 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421 -424)를 포함하는 레이저 어레이(40)로서, 상기 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421 - 424)는 공통 기판(12)을 공유하는, 레이저 어레이(40).
  11. 제 10 항에 있어서,
    냉각 매체를 위한 적어도 하나의 냉각 채널(54)을 더 포함하고, 상기 냉각 채널(54)은 상기 레이저 어레이(40)의 인접한 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421-424) 사이에서 연장되는, 레이저 어레이(40).
  12. 제 1 반사층(18;74)을 기판층(12)상에 형성하는 단계;
    상기 기판층(12)으로 연장되는 홀(70;78)을 상기 제 1 반사층(18;74)에 형성하는 단계; 및,
    상기 홀(70;78)에 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421 - 424)를 성장시키는 단계;를 포함하는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421-424) 의 형성 방법으로서,
    상기 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421-424)를 성장시키는 단계는, 상기 제 1 반사층(18; 74) 을 통하여 상기 홀(70;78)에서 제 1 직경(d1)으로 지지 요소(14; 441-444)를 성장시키고, 상기 지지 요소(14; 441-444)를 상기 제 1 반사층(18; 74) 위로 연장시키고, 상기 제 1 반사층(18;74) 위로 연장된 상기 지지 요소(14; 441-444)의 적어도 일부 둘레로 동체 요소(16; 461 - 464)를 성장시키는 것을 포함하고, 상기 동체 요소(14; 441- 444)는 상기 제 1 직경(d1)보다 적어도 2 배로 큰 제 2 직경(d2)을 가지는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421 -424) 의 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 홀(70;78)의 형성 단계는 이방성 반응 이온 에칭에 의하여 상기 제 1 반사층(18;74) 안에 제 1 홀(70;78)을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 홀(70;78)은 상기 제 1 반사층(18;74) 안에서 끝나고, 이후에 화학적 에칭, 특히 풀루오린화수소산 에칭(hydrofluoric acid etching)에 의하여 상기 제 1 홀(70;78)을 상기 기판층(12)으로 연장시키는 단계를 포함하는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421 -424) 의 형성 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    pn 접합(24,26) 또는 pin 접합을 형성하도록 상기 지지 요소(14; 441 -444) 및/또는 상기 동체 요소(14; 441 -444)를 도핑하는 단계를 더 포함하는, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421 -424) 의 형성 방법.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421-424)는 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 따른 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421-424)인, 나노와이어 레이저 구조체(10, 10', 10"; 421- 424) 의 형성 방법.


KR1020187010598A 2015-09-15 2016-09-14 나노와이어 레이저 구조체 및 제조 방법 KR20180052742A (ko)

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