東京都市大學(xué)(原武藏工業(yè)大學(xué))綜合研究所宣布,已證實(shí)采用硅類半導(dǎo)體制作的元件,可在室溫(300K)下通過注入電流實(shí)現(xiàn)Q值高達(dá)1560的發(fā)光。該大學(xué)表示,“這在硅類半導(dǎo)體技術(shù)中屬于全球最高值,完全可用作LED”。在采用硅類半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)?ldquo;硅光子”技術(shù)領(lǐng)域,開發(fā)進(jìn)程滯后的發(fā)光元件有可能由此向前邁進(jìn)了一步。
負(fù)責(zé)此次開發(fā)的是東京都市大學(xué)工學(xué)部教授,綜合研究所硅納米科學(xué)研究中心主任丸泉琢也的研發(fā)小組。此次,該小組在鍺(Ge)半導(dǎo)體的量子點(diǎn)層和硅半導(dǎo)體層構(gòu)成的超晶格中,嵌入采用光子結(jié)晶技術(shù)的共振器,由此證實(shí)了高Q值發(fā)光現(xiàn)象。
此次開發(fā)元件的主要部分尺寸約為30μm見方。具體制作方法是,在硅上采用分子束外延(MolecularBeamEpitaxy,MBE)法按照約1010個(gè)/cm2的面密度制作直徑78±3nm、高12nm的鍺量子點(diǎn),然后,在其上面層疊硅層。按照這種順序重疊三層鍺量子點(diǎn)層。此時(shí),會(huì)打多個(gè)直徑約為260nm的垂直孔,這些垂直孔會(huì)形成光子結(jié)晶,起到將光線封閉起來的共振器作用。
然后再進(jìn)行n型和p型摻雜,形成以共振器部分為i層(本征半導(dǎo)體層)的硅類PIN構(gòu)造,制成元件。
鍺和硅都被稱作“間接躍遷型半導(dǎo)體”,在半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)中,能量最大的價(jià)帶與能量最小的導(dǎo)帶之間的動(dòng)能并不一致。因此,鍺和硅就成了電子和空穴難以再結(jié)合、因而不易發(fā)光的半導(dǎo)體。
而此次的元件之所以能發(fā)光,是因?yàn)橐枣N量子點(diǎn)為p型半導(dǎo)體、以硅層為n型半導(dǎo)體,使空穴和電子能再結(jié)合。丸泉表示,“這不同于量子點(diǎn)的尺寸效應(yīng)”。該元件的發(fā)光波長(zhǎng)約為1.4μm。另外,塊狀鍺的帶隙為0.67eV(對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)約為1.9μm),硅的帶隙為1.1eV(對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)約為1.1μm),與此次元件的發(fā)光波長(zhǎng)完全不同。東京都市大學(xué)介紹:“波長(zhǎng)基本上由共振器的尺寸來決定。”
改變電流的流向
丸泉的研發(fā)小組此前曾采用由鍺量子點(diǎn)和硅構(gòu)成的超晶格,于2010年在室溫下確認(rèn)了基于電流注入的發(fā)光現(xiàn)象。不過,以前共振器無法按預(yù)想動(dòng)作,發(fā)光波長(zhǎng)范圍太大,只能獲得微弱的發(fā)光。
此次與原來的最大不同是流入元件中的電流流向,原來的電流流向是垂直貫穿鍺量子點(diǎn)與硅超晶格層,而此次則是電流沿著超晶格層流動(dòng),改變了電極的位置。這樣一來,共振器可有效發(fā)揮作用,Q值大幅提高。
另外,此次還優(yōu)化了共振器的設(shè)計(jì),從而提高了面發(fā)光的提取效率。具體做法是稍微減小了共振器兩端垂直孔的尺寸,將其位置向外側(cè)稍微移動(dòng)了一些,由此便可輕松地從表面沿著垂直方向發(fā)出光線。
據(jù)介紹,東京都市大學(xué)丸泉研發(fā)小組今后將使發(fā)光波長(zhǎng)接近光通信中使用的1.55μm,同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化元件構(gòu)造,將Q值提高至數(shù)千甚至上萬,爭(zhēng)取在3~4年內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光振蕩。