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英国研究人员在硅芯片上外延生长形成激光源

2016-03-14 08:45
人在旅途20
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  英国卡迪夫大学(Cardiff University)等的研究人员成功在硅(Si)上,以异质外延生长方式形成了由III-V族化合物构成的量子点(QD)型半导体激光器,并实现了非常低的电流密度和长寿命。向在硅芯片上形成光电路的“硅光子”的普及迈进了一步。

  此次在硅上形成的QD型半导体激光器的发光波长为1310nm。阈值电流密度只有62.5A/cm2。室温下的发光功率为105mW,最高工作温度为120℃。根据3100个小时连续发光试验结果推测的发光寿命为100158小时。QD采用直径约为20nm、厚度约为7nm的InAs和GaAs。

  大幅减少贯通缺陷

  以前,使III-V族化合物在硅上异质外延生长非常困难。因为在晶格常数和晶体结构上,硅与化合物有着明显不同。即使勉强使其生长,也会产生很多晶格缺陷。尤其是大量贯通缺陷到达活性层时,载流子会在此产生不利于发光的再结合,发光效率会明显降低。

  过去,也有在硅芯片上形成III-V族化合物类激光源的例子,但这些都是采用“晶圆接合(WB)”这种贴合方法实现的。

  不过,晶圆接合方法存在需要高真空、水分等杂质容易进入界面等课题。有的工艺下,贴合时的对位精度成为课题。如果能采用异质外延生长方法制造,就没不必再采用晶圆接合方法了。

  此次,英国卡迪夫大学及谢菲尔德大学(University of Sheffield)等的研究人员组成的研究小组通过彻底减少晶格缺陷、尤其是贯通缺陷,成功在硅上通过异质外延生长形成了高品质的半导体激光器。

  减少贯通缺陷的措施之一是使硅(100)面倾斜4度。这是1986年发现的方法,能减少AlAs及GaAs等晶体产生的各种缺陷。

  作为吸收晶格常数偏差的缓冲层,在硅上层叠了约6nm厚的AlAs层及约1μm厚的GaAs层。GaAs层的生长温度分350℃、450℃、590℃三个级别,可以防止贯通缺陷在同一条件下生长。但是缓冲层表面的贯通缺陷密度仍很多,为1×109个/cm²。

  还有一个措施是在GaAs层上形成了阻止贯通缺陷的“应变层超晶格(Strained-Layer Superlattices,SLS)”层。SLS层由10nm厚的InGaAs层与10nm厚的GaAs层构成。SLS层形成后在660℃的温度下实施了约6分钟的退火。

  这种SLS层共有5层,与约60nm厚的GaAs层交替形成。每层叠一层SLS,可使贯通缺陷密度降至原来的几分之一至十分之一,在第5层SLS的表面,贯通缺陷密度为1×105个/cm²,比形成SLS层之前大幅减少。虽然与在GaAs基板上形成GaAs类半导体激光器时的贯通缺陷密度1×10³~1×104个/cm²相比还差一些,但在在硅上异质外延生长形成激光器的实例中已是最高品质,从而实现了较长寿命的激光发光。

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