We demonstrate the growth and single-mode lasing operation of GaAs-AlGaAs core-multishell nanowires (NW) with radial single and multiple GaAs quantum wells (QWs) as active gain media. When subject to optical pumping lasing emission with distinct s-shaped input-output characteristics, linewidth narrowing and emission energies associated with the confined QWs are observed. Comparing the low temperature performance of QW NW laser structures having 7 coaxial QWs with a nominally identical structure having only a single QW shows that the threshold power density reduces several-fold, down to values as low as ∼2.4 kW/cm2 for the multiple QW NW laser. This confirms that the individual radial QWs are electronically weakly coupled and that epitaxial design can be used to optimize the gain characteristics of the devices. Temperature-dependent investigations show that lasing prevails up to 300 K, opening promising new avenues for efficient III–V semiconductor NW lasers with embedded low-dimensional gain media.

1.
R.
Yan
,
D.
Gargas
, and
P.
Yang
,
Nature Photon.
3
,
569
(
2009
), and references therein.
2.
A. V.
Maslov
and
C. Z.
Ning
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
1237
(
2003
).
3.
J.
Heo
,
W.
Guo
, and
P.
Bhattacharya
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
021110
(
2011
).
4.
F.
Lu
,
T.-T. D.
Tran
,
W. S.
Ko
,
K. W.
Ng
,
R.
Chen
, and
C.
Chang-Hasnain
,
Opt. Express
20
,
12171
(
2012
).
5.
Z.
Wang
,
B.
Tian
,
M.
Paladugu
,
M.
Pantouvaki
,
N.
Le Thomas
,
C.
Merckling
,
W.
Guo
,
J.
Dekoster
,
J.
Van Campenhout
,
P.
Absil
, and
D.
Van Thourhout
,
Nano Lett.
13
,
5063
(
2013
).
6.
B.
Mayer
,
L.
Janker
,
B.
Loitsch
,
J.
Treu
,
T.
Kostenbader
,
S.
Lichtmannecker
,
T.
Reichert
,
S.
Morkötter
,
M.
Kanibler
,
G.
Abstreiter
,
C.
Gies
,
G.
Koblmüller
, and
J. J.
Finley
, “
Monolithically integrated high-β nanowire lasers on silicon
,”
Nano Lett.
(to be published).
7.
Y.
Cui
,
Q. W.
Wei
,
H. K.
Park
, and
C. M.
Lieber
,
Science
293
,
1289
(
2001
).
8.
J. C.
Johnson
,
H.-J.
Choi
,
K. P.
Knutsen
,
R. D.
Schaller
,
P.
Yang
, and
R. J.
Saykally
,
Nat. Mater.
1
,
106
(
2002
).
9.
S.
Gradecak
,
F.
Qian
,
Y.
Li
,
H.-G.
Park
, and
C. M.
Lieber
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
173111
(
2005
).
10.
K. H.
Li
,
X.
Liu
,
Q.
Wang
,
S.
Zhao
, and
Z.
Mi
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
140
(
2015
).
11.
J. C.
Johnson
,
H.
Yan
,
P.
Yang
, and
R. J.
Saykally
,
J. Phys. Chem.
107
,
8816
(
2003
).
12.
J. X.
Ding
,
J. A.
Zapien
,
W. W.
Chen
,
Y.
Lifshitz
,
S. T.
Lee
, and
X. M.
Meng
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
2361
(
2004
).
13.
R.
Agarwal
,
C. R.
Barrelet
, and
C. M.
Lieber
,
Nano Lett.
5
,
917
(
2005
).
14.
X.
Duan
,
Y.
Huang
,
R.
Agarwal
, and
C. M.
Lieber
,
Nature
421
,
241
(
2003
).
15.
S.
Geburt
,
A.
Thielmann
,
R.
Röder
,
C.
Borschel
,
A.
McDonnell
,
M.
Kozlik
,
J.
Kühnel
,
K. A.
Sunter
,
F.
Capasso
, and
C.
Ronning
,
Nanotechnology
23
,
365204
(
2012
).
16.
B.
Hua
,
J.
Motohisa
,
Y.
Kobayashi
,
S.
Hara
, and
T.
Fukui
,
Nano Lett.
9
,
112
(
2009
).
17.
D.
Saxena
,
S.
Mokkapati
,
P.
Parkinson
,
N.
Jiang
,
Q.
Gao
,
H. H.
Tan
, and
C.
Jagadish
,
Nature Photon.
7
,
963
(
2013
).
18.
B.
Mayer
,
D.
Rudolph
,
J.
Schnell
,
S.
Morkötter
,
J.
Winnerl
,
J.
Treu
,
K.
Müller
,
G.
Bracher
,
G.
Abstreiter
,
G.
Koblmüller
, and
J. J.
Finley
,
Nat. Commun.
4
,
2931
(
2013
).
19.
R.
Chen
,
T.-T. D.
Tran
,
K. W.
Ng
,
W. S.
Ko
,
L. C.
Chuang
,
F. G.
Sedwick
, and
C.
Chang-Hasnain
,
Nature Photon.
5
,
170
(
2011
).
20.
A. H.
Chin
,
S.
Vaddiraju
,
A. V.
Maslov
,
C. Z.
Ning
,
M. K.
Sunkara
, and
M.
Meyyappan
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
163115
(
2006
).
21.
F.
Ren
,
K. W.
Ng
,
K.
Li
,
H.
Sun
, and
C. J.
Chang-Hasnain
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
012115
(
2013
).
22.
Q.
Gao
,
D.
Saxena
,
F.
Wang
,
L.
Fu
,
S.
Mokkapati
,
Y.
Guo
,
L.
Li
,
J.
Wong-Leung
,
P.
Caroff
,
H. H.
Tan
, and
C.
Jagadish
,
Nano Lett.
14
,
5206
(
2014
).
23.
S.
Chu
,
G.
Wang
,
W.
Zhou
,
Y.
Lin
,
L.
Chernyak
,
J.
Zhao
,
J.
Kong
,
L.
Li
,
J.
Ren
, and
J.
Liu
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
506
(
2011
).
24.
T.
Frost
,
S.
Jahangir
,
E.
Stark
,
S.
Deshpande
,
A.
Hazari
,
C.
Zhao
,
B. S.
Ooi
, and
P.
Bhattacharya
,
Nano Lett.
14
,
4535
(
2014
).
25.
R. F.
Oulton
,
V. J.
Sorger
,
T.
Zentgraf
,
R.-M.
Ma
,
C.
Gladden
,
L.
Dai
,
G.
Bartal
, and
X.
Zhang
,
Nature
461
,
629
(
2009
).
26.
J.
Ho
,
J.
Tatebayashi
,
S.
Sergent
,
C. F.
Fong
,
S.
Iwamoto
, and
Y.
Arakawa
,
ACS Photonics
2
,
165
(
2015
).
27.
Y.
Arakawa
and
H.
Sakaki
,
Appl. Phys. Lett.
40
,
939
(
1982
).
28.
Y.
Tatebayashi
,
S.
Kako
,
J.
Ho
,
Y.
Ota
,
S.
Iwamoto
, and
Y.
Arakawa
,
Nature Photon.
9
,
501
(
2015
).
29.
D.
Rudolph
,
S.
Hertenberger
,
S.
Bolte
,
W.
Paosangthong
,
D.
Spirkoska
,
M.
Döblinger
,
M.
Bichler
,
J. J.
Finley
,
G.
Abstreiter
, and
G.
Koblmüller
,
Nano Lett.
11
,
3848
(
2011
).
30.
D.
Rudolph
,
S.
Funk
,
M.
Döblinger
,
S.
Morkötter
,
S.
Hertenberger
,
L.
Schweickert
,
J.
Becker
,
S.
Matich
,
M.
Bichler
,
D.
Spirkoska
,
I.
Zardo
,
J. J.
Finley
,
G.
Abstreiter
, and
G.
Koblmüller
,
Nano Lett.
13
(
4
),
1522
1527
(
2013
).
31.
Y.
Arakawa
and
A.
Yariv
,
IEEE J. Quantum Electron.
22
,
1887
(
1986
).
32.
A.
Kurobe
,
H.
Furuyama
,
S.
Naritsuka
,
N.
Sugiyama
,
Y.
Kokubun
, and
M.
Nakamura
,
IEEE J. Quantum Electron.
24
,
635
(
1988
).
33.
S.
Morkötter
,
N.
Jeon
,
D.
Rudolph
,
B.
Loitsch
,
D.
Spirkoska
,
E.
Hoffmann
,
M.
Döblinger
,
S.
Matich
,
J. J.
Finley
,
L. J.
Lauhon
,
G.
Abstreiter
, and
G.
Koblmüller
,
Nano Lett.
15
,
3295
(
2015
).
34.
B.
Loitsch
,
D.
Rudolph
,
S.
Morkötter
,
M.
Döblinger
,
G.
Grimaldi
,
L.
Hanschke
,
S.
Matich
,
E.
Parzinger
,
U.
Wurstbauer
,
G.
Abstreiter
,
J. J.
Finley
, and
G.
Koblmüller
,
Adv. Mater.
27
,
2195
(
2015
).
35.
K.
Tomioka
,
J.
Motohisa
,
S.
Hara
,
K.
Hiruma
, and
T.
Fukui
,
Nano Lett.
10
,
1639
(
2010
).
36.
M.
Fickenscher
,
T.
Shi
,
H. E.
Jackson
,
L. M.
Smith
,
J. M.
Yarrison-Rice
,
C.
Zheng
,
P.
Miller
,
J.
Etheridge
,
B. M.
Wong
,
Q.
Gao
,
S.
Deshpande
,
H. H.
Tan
, and
C.
Jagadish
,
Nano Lett.
13
,
1016
(
2013
).
37.
D.
Rudolph
,
L.
Schweickert
,
S.
Morkötter
,
B.
Loitsch
,
S.
Hertenberger
,
J.
Becker
,
M.
Bichler
,
G.
Abstreiter
,
J. J.
Finley
, and
G.
Koblmüller
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
033111
(
2014
).
38.
N.
Jeon
,
B.
Loitsch
,
S.
Morkötter
,
G.
Abstreiter
,
J. J.
Finley
,
H. J.
Krenner
,
G.
Koblmüller
, and
L. J.
Lauhon
,
ACS Nano
9
,
8335
(
2015
).
39.
N.
Erhard
,
S.
Zenger
,
S.
Morkötter
,
D.
Rudolph
,
M.
Weiss
,
H. J.
Krenner
,
H.
Karl
,
G.
Abstreiter
,
J. J.
Finley
,
G.
Koblmüller
, and
A. W.
Holleitner
,
Nano Lett.
15
,
6869
(
2015
).
40.
J.
Nagle
,
S.
Hersee
,
M.
Krakowski
,
T.
Weil
, and
C.
Weisbuch
,
Appl. Phys. Lett.
49
,
1325
(
1986
).
41.
R.
Nagarajan
,
T.
Kamiya
, and
A.
Kurobe
,
IEEE J. Quantum Electron.
25
,
1161
(
1989
).
You do not currently have access to this content.