东京都市大学证实Q值为1560的发光现象

时间：2012-05-01 13:58:32

关键字：量子点元件电流光子

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[导读]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

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。