英國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)，也會(huì)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(huì)在此產(chǎn)生不利于發(fā)光的再結(jié)合，發(fā)光效率會(huì)明顯降低。

過(guò)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(guò)，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(duì)位精度成為課題。如果能采用異質(zhì)外延生長(zhǎng)方法制造，就沒(méi)不必再采用晶圓接合方法了。

此次，英國(guó)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(guò)徹底減少晶格缺陷、尤其是貫通缺陷，成功在硅上通過(guò)異質(zhì)外延生長(zhǎng)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(zhǎng)溫度分350℃、450℃、590℃三個(gè)級(jí)別，可以防止貫通缺陷在同一條件下生長(zhǎng)。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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)壽命的激光發(fā)光。