[2019年IEEE欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 德国慕尼黑(2019.6.23-2019.6.27)] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 亚波长AlGaAs/GaAs垂直发射纳米柱中光提取效率的显著增强

摘要： 将主动纳米光子器件（即纳米激光器和纳米发光二极管/nanoLEDs）缩小至深亚微米尺寸，对于实现未来紧凑型光子集成电路在光通信[1]及生物传感与生物成像应用[2]所需的小型化（<1 μm2）、低能耗（<10 fJ/比特）和高效率（>10%）光源至关重要。随着这些纳米级光源表体比急剧增大，强非辐射过程和光提取困难等因素已被证实会显著降低nanoLEDs和纳米激光器的外量子效率[3]。尽管学界已在光增强与出耦合方法（如二维光子晶体[4]、光学纳米天线[5]或集成光栅耦合器的纳米波导[3]）方面开展深入研究，但当发光结构尺寸缩减至深亚波长（<<λ/3）量级时，这些方案实施难度极大。 本研究报道了砷化镓衬底上垂直发射的未掺杂AlGaAs/GaAs/AlGaAs锥形柱体在发射标称面积缩小至亚微米尺度时（图1a），在λ~670 nm处呈现显著增强的信号。通过电子束光刻和干法刻蚀技术制备了横向宽度200 nm至8 μm的垂直发射柱体，并采用λ=561 nm激光激发的显微光致发光(PL)显微镜进行表征。图1b展示了光学泵浦微柱（上）与纳米柱（下）的发射图像实例（插图为对应强度分布）。微柱发光强度随直径减小呈平面LED典型的d2缩放规律递减；但当直径从4 μm缩减至0.2 μm（尤其在300 nm < d < 400 nm区间），尽管标称发射面积缩小超100倍，强度仅衰减约10倍——例如d=360 nm柱体的发射强度峰值及积分强度与d~1 μm柱体相当，这种显著偏离微柱d2依赖性的现象实现了27倍发光增强（图1c总结）。 针对d=360 nm锥形纳米柱的FDTD模拟（图1a底部）表明该增强源于三重效应：i) 横向尺寸减小抑制光学模式；ii) 高效空气耦合输出；iii) 锥形结构定向发射增强。值得注意的是，如图1c蓝圈所示，经(NH4)2S表面钝化及约50 nm SiO?介质封盖后发光性能可进一步提升，亚微米柱发光强度较未钝化样品提高3倍。总之，本研究实现了深亚波长垂直发射纳米柱的光提取效率大幅跃升，使纳米级器件获得媲美微米器件的明亮发光。结合表面复合抑制效应，该成果对开发低功耗光互连用高性能纳米光电器件、实现光子集成电路中室温高效光源具有重要价值。