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        英國研究人員在硅芯片上外延生長形成激光源

        發(fā)布:jmsilicoqf123瀏覽:11932次
        詳細(xì)說明

        英國卡迪夫大學(xué)(Cardiff University)等的研究人員成功在硅(Si)上,以異質(zhì)外延生長方式形成了由III-V族化合物構(gòu)成的量子點(diǎn)(QD)型半導(dǎo)體激光器,并實(shí)現(xiàn)了非常低的電流密度和長壽命。向在硅芯片上形成光電路的“硅光子”的普及邁進(jìn)了一步。

        此次在硅上形成的QD型半導(dǎo)體激光器的發(fā)光波長為1310nm。閾值電流密度只有62.5A/cm2。室溫下的發(fā)光功率為105mW,高工作溫度為120℃。根據(jù)3100個(gè)小時(shí)連續(xù)發(fā)光試驗(yàn)結(jié)果推測的發(fā)光壽命為100158小時(shí)。QD采用直徑約為20nm、厚度約為7nm的InAs和GaAs。

        大幅減少貫通缺陷

        以前,使III-V族化合物在硅上異質(zhì)外延生長非常困難。因?yàn)樵诰Ц癯?shù)和晶體結(jié)構(gòu)上,硅與化合物有著明顯不同。即使勉強(qiáng)使其生長,也會產(chǎn)生很多晶格缺陷。尤其是大量貫通缺陷到達(dá)活性層時(shí),載流子會在此產(chǎn)生不利于發(fā)光的再結(jié)合,發(fā)光效率會明顯降低。

        過去,也有在硅芯片上形成III-V族化合物類激光源的例子,但這些都是采用“晶圓接合(WB)”這種貼合方法實(shí)現(xiàn)的。

        不過,晶圓接合方法存在需要高真空、水分等雜質(zhì)容易進(jìn)入界面等課題。有的工藝下,貼合時(shí)的對位精度成為課題。如果能采用異質(zhì)外延生長方法制造,就沒不必再采用晶圓接合方法了。

        此次,英國卡迪夫大學(xué)及謝菲爾德大學(xué)(University of Sheffield)等的研究人員組成的研究小組通過徹底減少晶格缺陷、尤其是貫通缺陷,成功在硅上通過異質(zhì)外延生長形成了高品質(zhì)的半導(dǎo)體激光器。

        減少貫通缺陷的措施之一是使硅(100)面傾斜4度。這是1986年發(fā)現(xiàn)的方法,能減少AlAs及GaAs等晶體產(chǎn)生的各種缺陷。

        作為吸收晶格常數(shù)偏差的緩沖層,在硅上層疊了約6nm厚的AlAs層及約1μm厚的GaAs層。GaAs層的生長溫度分350℃、450℃、590℃三個(gè)級別,可以防止貫通缺陷在同一條件下生長。但是緩沖層表面的貫通缺陷密度仍很多,為1×109個(gè)/cm2。

        還有一個(gè)措施是在GaAs層上形成了阻止貫通缺陷的“應(yīng)變層超晶格(Strained-Layer Superlattices,SLS)”層。SLS層由10nm厚的InGaAs層與10nm厚的GaAs層構(gòu)成。SLS層形成后在660℃的溫度下實(shí)施了約6分鐘的退火。

        這種SLS層共有5層,與約60nm厚的GaAs層交替形成。每層疊一層SLS,可使貫通缺陷密度降至原來的幾分之一至十分之一,在第5層SLS的表面,貫通缺陷密度為1×105個(gè)/cm2,比形成SLS層之前大幅減少。雖然與在GaAs基板上形成GaAs類半導(dǎo)體激光器時(shí)的貫通缺陷密度1×103~1×104個(gè)/cm2相比還差一些,但在在硅上異質(zhì)外延生長形成激光器的實(shí)例中已是高品質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)了較長壽命的激光發(fā)光。


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