東京都市大學(xué)證實(shí)Q值為1560的發(fā)光現(xiàn)象
[導(dǎo)讀]東京都市大學(xué)（原武藏工業(yè)大學(xué)）綜合研究所宣布，已證實(shí)采用硅類半導(dǎo)體制作的元件，可在室溫（300K）下通過(guò)注入電流實(shí)現(xiàn)Q值高達(dá)1560的發(fā)光。該大學(xué)表示，“這在硅類半導(dǎo)體技術(shù)中屬于全球最高值，完全可用作LED”。在
東京都市大學(xué)（原武藏工業(yè)大學(xué)）綜合研究所宣布，已證實(shí)采用硅類半導(dǎo)體制作的元件，可在室溫（300K）下通過(guò)注入電流實(shí)現(xiàn)Q值高達(dá)1560的發(fā)光。該大學(xué)表示，“這在硅類半導(dǎo)體技術(shù)中屬于全球最高值，完全可用作LED”。在采用硅類半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)光傳輸的“硅光子”技術(shù)領(lǐng)域，開發(fā)進(jìn)程滯后的發(fā)光元件有可能由此向前邁進(jìn)了一步。
負(fù)責(zé)此次開發(fā)的是東京都市大學(xué)工學(xué)部教授，綜合研究所硅納米科學(xué)研究中心主任丸泉琢也的研發(fā)小組。此次，該小組在鍺（Ge）半導(dǎo)體的量子點(diǎn)層和硅半導(dǎo)體層構(gòu)成的超晶格中，嵌入采用光子結(jié)晶技術(shù)的共振器，由此證實(shí)了高Q值發(fā)光現(xiàn)象。
此次開發(fā)元件的主要部分尺寸約為30μm見方。具體制作方法是，在硅上采用分子束外延（MolecularBeamEpitaxy，MBE）法按照約1010個(gè)/cm2的面密度制作直徑78±3nm、高12nm的鍺量子點(diǎn)，然后，在其上面層疊硅層。按照這種順序重疊三層鍺量子點(diǎn)層。此時(shí)，會(huì)打多個(gè)直徑約為260nm的垂直孔，這些垂直孔會(huì)形成光子結(jié)晶，起到將光線封閉起來(lái)的共振器作用。
然后再進(jìn)行n型和p型摻雜，形成以共振器部分為i層（本征半導(dǎo)體層）的硅類PIN構(gòu)造，制成元件。
鍺和硅都被稱作“間接躍遷型半導(dǎo)體”，在半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)中，能量最大的價(jià)帶與能量最小的導(dǎo)帶之間的動(dòng)能并不一致。因此，鍺和硅就成了電子和空穴難以再結(jié)合、因而不易發(fā)光的半導(dǎo)體。
而此次的元件之所以能發(fā)光，是因?yàn)橐枣N量子點(diǎn)為p型半導(dǎo)體、以硅層為n型半導(dǎo)體，使空穴和電子能再結(jié)合。丸泉表示，“這不同于量子點(diǎn)的尺寸效應(yīng)”。該元件的發(fā)光波長(zhǎng)約為1.4μm。另外，塊狀鍺的帶隙為0.67eV（對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)約為1.9μm），硅的帶隙為1.1eV（對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)約為1.1μm），與此次元件的發(fā)光波長(zhǎng)完全不同。東京都市大學(xué)介紹：“波長(zhǎng)基本上由共振器的尺寸來(lái)決定?！?BR>
改變電流的流向
丸泉的研發(fā)小組此前曾采用由鍺量子點(diǎn)和硅構(gòu)成的超晶格，于2010年在室溫下確認(rèn)了基于電流注入的發(fā)光現(xiàn)象。不過(guò)，以前共振器無(wú)法按預(yù)想動(dòng)作，發(fā)光波長(zhǎng)范圍太大，只能獲得微弱的發(fā)光。
此次與原來(lái)的最大不同是流入元件中的電流流向，原來(lái)的電流流向是垂直貫穿鍺量子點(diǎn)與硅超晶格層，而此次則是電流沿著超晶格層流動(dòng)，改變了電極的位置。這樣一來(lái)，共振器可有效發(fā)揮作用，Q值大幅提高。
另外，此次還優(yōu)化了共振器的設(shè)計(jì)，從而提高了面發(fā)光的提取效率。具體做法是稍微減小了共振器兩端垂直孔的尺寸，將其位置向外側(cè)稍微移動(dòng)了一些，由此便可輕松地從表面沿著垂直方向發(fā)出光線。
據(jù)介紹，東京都市大學(xué)丸泉研發(fā)小組今后將使發(fā)光波長(zhǎng)接近光通信中使用的1.55μm，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化元件構(gòu)造，將Q值提高至數(shù)千甚至上萬(wàn)，爭(zhēng)取在3～4年內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光振蕩。
負(fù)責(zé)此次開發(fā)的是東京都市大學(xué)工學(xué)部教授，綜合研究所硅納米科學(xué)研究中心主任丸泉琢也的研發(fā)小組。此次，該小組在鍺（Ge）半導(dǎo)體的量子點(diǎn)層和硅半導(dǎo)體層構(gòu)成的超晶格中，嵌入采用光子結(jié)晶技術(shù)的共振器，由此證實(shí)了高Q值發(fā)光現(xiàn)象。
此次開發(fā)元件的主要部分尺寸約為30μm見方。具體制作方法是，在硅上采用分子束外延（MolecularBeamEpitaxy，MBE）法按照約1010個(gè)/cm2的面密度制作直徑78±3nm、高12nm的鍺量子點(diǎn)，然后，在其上面層疊硅層。按照這種順序重疊三層鍺量子點(diǎn)層。此時(shí)，會(huì)打多個(gè)直徑約為260nm的垂直孔，這些垂直孔會(huì)形成光子結(jié)晶，起到將光線封閉起來(lái)的共振器作用。
然后再進(jìn)行n型和p型摻雜，形成以共振器部分為i層（本征半導(dǎo)體層）的硅類PIN構(gòu)造，制成元件。
鍺和硅都被稱作“間接躍遷型半導(dǎo)體”，在半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)中，能量最大的價(jià)帶與能量最小的導(dǎo)帶之間的動(dòng)能并不一致。因此，鍺和硅就成了電子和空穴難以再結(jié)合、因而不易發(fā)光的半導(dǎo)體。
而此次的元件之所以能發(fā)光，是因?yàn)橐枣N量子點(diǎn)為p型半導(dǎo)體、以硅層為n型半導(dǎo)體，使空穴和電子能再結(jié)合。丸泉表示，“這不同于量子點(diǎn)的尺寸效應(yīng)”。該元件的發(fā)光波長(zhǎng)約為1.4μm。另外，塊狀鍺的帶隙為0.67eV（對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)約為1.9μm），硅的帶隙為1.1eV（對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)約為1.1μm），與此次元件的發(fā)光波長(zhǎng)完全不同。東京都市大學(xué)介紹：“波長(zhǎng)基本上由共振器的尺寸來(lái)決定?！?BR>
改變電流的流向
丸泉的研發(fā)小組此前曾采用由鍺量子點(diǎn)和硅構(gòu)成的超晶格，于2010年在室溫下確認(rèn)了基于電流注入的發(fā)光現(xiàn)象。不過(guò)，以前共振器無(wú)法按預(yù)想動(dòng)作，發(fā)光波長(zhǎng)范圍太大，只能獲得微弱的發(fā)光。
此次與原來(lái)的最大不同是流入元件中的電流流向，原來(lái)的電流流向是垂直貫穿鍺量子點(diǎn)與硅超晶格層，而此次則是電流沿著超晶格層流動(dòng)，改變了電極的位置。這樣一來(lái)，共振器可有效發(fā)揮作用，Q值大幅提高。
另外，此次還優(yōu)化了共振器的設(shè)計(jì)，從而提高了面發(fā)光的提取效率。具體做法是稍微減小了共振器兩端垂直孔的尺寸，將其位置向外側(cè)稍微移動(dòng)了一些，由此便可輕松地從表面沿著垂直方向發(fā)出光線。
據(jù)介紹，東京都市大學(xué)丸泉研發(fā)小組今后將使發(fā)光波長(zhǎng)接近光通信中使用的1.55μm，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化元件構(gòu)造，將Q值提高至數(shù)千甚至上萬(wàn)，爭(zhēng)取在3～4年內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光振蕩。
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