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东京都市大学证实Q值为1560的发光现象
http://laiguanqiu1.com.cn2020-09-13
东京都市大学(原武藏工业大学)综合研究所宣布,已证实采用硅类半导体制作的元件,可在室温(300K)下通过注入电流实现Q值高达1560的发光。该大学表示,“这在硅类半导体技术中属于全球最高值,完全可用作LED”。在采用硅类半导体实现光传输的“硅光子”技术领域,开发进程滞后的发光元件有可能由此向前迈进了一步。负责此次开发的是东京都市大学工学部教授,综合研究所硅纳米科学研究中心主任丸泉琢也的研发小组。此次,该小组在锗(Ge)半导体的量子点层和硅半导体层构成的超晶格中,嵌入采用光子结晶技术的共振器,由此证实了高Q值发光现象。此次开发元件的主要部分尺寸约为30μm见方。具体制作方法是,在硅上采用分子束外延(MolecularBeamEpitaxy,MBE)法按照约1010个/cm2的面密度制作直径78±3nm、高12nm的锗量子点,然后,在其上面层叠硅层。按照这种顺序重叠三层锗量子点层。此时,会打多个直径约为260nm的垂直孔,这些垂直孔会形成光子结晶,起到将光线封闭起来的共振器作用。然后再进行n型和p型掺杂,形成以共振器部分为i层(本征半导体层)的硅类PIN构造,制成元件。锗和硅都被称作“间接跃迁型半导体”,在半导体的能带结构中,能量最大的价带与能量最小的导带之间的动能并不一致。因此,锗和硅就成了电子和空穴难以再结合、因而不易发光的半导体。而此次的元件之所以能发光,是因为以锗量子点为p型半导体、以硅层为n型半导体,使空穴和电子能再结合。丸泉表示,“这不同于量子点的尺寸效应”。该元件的发光波长约为1.4μm。另外,块状锗的带隙为0.67eV(对应的发光波长约为1.9μm),硅的带隙为1.1eV(对应的发光波长约为1.1μm),与此次元件的发光波长完全不同。东京都市大学介绍:“波长基本上由共振器的尺寸来决定。”改变电流的流向丸泉的研发小组此前曾采用由锗量子点和硅构成的超晶格,于2010年在室温下确认了基于电流注入的发光现象。不过,以前共振器无法按预想动作,发光波长范围太大,只能获得微弱的发光。此次与原来的最大不同是流入元件中的电流流向,原来的电流流向是垂直贯穿锗量子点与硅超晶格层,而此次则是电流沿着超晶格层流动,改变了电极的位置。这样一来,共振器可有效发挥作用,Q值大幅提高。另外,此次还优化了共振器的设计,从而提高了面发光的提取效率。具体做法是稍微减小了共振器两端垂直孔的尺寸,将其位置向外侧稍微移动了一些,由此便可轻松地从表面沿着垂直方向发出光线。据介绍,东京都市大学丸泉研发小组今后将使发光波长接近光通信中使用的1.55μm,同时进一步优化元件构造,将Q值提高至数千甚至上万,争取在3~4年内实现激光振荡。
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