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日本开发出可集成在硅半导体上的发光元件，有望室温下工作 6/26/2012

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东京都市大学（原武藏工业大学）综合研究所开发出了可在室温（300K）且电流注入的条件下发光的Si类半导体元件。发光时的Q值高达1560。“为室温下Si类半导体的全球最高值，完全可作为LED使用”（东京都市大学）。在以Si类半导体实现光传输的“Si光子”技术领域，包括光敏元件和导光路径在内的大部分基础技术都在不断革新。但是，由于用Si制造发光元件在原理上很难实现，其开发一直滞后。此次的技术解决了这一课题，有可能使发光元件得以集成在Si半导体上。开发出发光元件的是东京都市大学工学部教授、综合研究所Si纳米科学研究中心的丸泉琢也的研发小组。该研究小组将锗（Ge）半导体的量子点层和Si半导体层交替层叠，并在其上构建了光子结晶（PhC）构造。PhC构造由特定大小的空孔规则配置制成，所以具有控制光传播路径的效果。此次的PhC构造，是为了使其起到光共振器的作用而设置的。在室温、注入电流的条件下，Q值很高东京都市大学以前就在进行将Ge量子点用于发光元件的研究。Ge和Si是间接跃迁型半导体，就是说一般是不发光的。但将Ge用作量子点与Si结合时则会发光。“Ge量子点单独不发光，与Si的结合是关键”（东京都市大学的丸泉）。据称，Ge量子点与Si结合时，Ge量子点中的空穴密度增加，因而Si的电子密度增加，所以Si与Ge间会发生电子跃迁而发光。这与利用有机半导体材料制造发光元件的情形相似。只是，在研究之初，Ge量子点的发光是靠光激发，也就是因照射光而发光的。并且，温度是40K的极低温，只能获得宽能带的弱光（图1）。研发小组把Ge量子点与共振器结合起来，在室温下注入电流，从而成功实现了强发光。（图片）图1：使用共振器使强发光得以实现 Ge量子点的概要和有无共振器条件下的发光情况如图所示。仅为Ge量子点时，要在40K的极低温且只能靠光激发发光，而采用共振器，可在室温（300K）且电流注入的条件下强烈发光。图根据东京都市大学的资料绘制而成。虽有其他研究人员通过量子点和PhC共振器的结合也获得过2000的Q值的例子，但温度为5K的极低温。可以说在室温下获得高Q值要首推东京都市大学。为导出光而改进PhC 发光元件的详情如下，在Si上分子以束外延（MBE）法制作Ge量子点。Ge量子点的面密度约为1010个/cm2。在其上形成Si膜，再在上面形成Ge量子点层。重复这一过程形成3层Ge量子点层，并埋入Si层中（图2（a））。由PhC构造实现的共振器是在由直径约260nm的空孔构成的PhC中设置无空孔部分而制成的。这一部分相当于三个空孔，因此称为“L3 共振器”。L3共振器本身并不稀奇，但东京都市大学通过自主改进共振器边界上的空孔设计，“使得共振器中的光易于导出”（丸泉）（图2（b））。（图片）图2：自主设计PhC共振器发光元件的概要如图所示。（a）为发光元件的截面；（b）俯视时。将Si作为电极与Ge量子点之间的载流子传输路径，掺入了n型和p型中。另外，为了沿着共振器的法线方向导出光，挪动了PhC部分空孔的位置，并减小了孔的直径。由纵向构造改成横向构造，性能得以改善东京都市大学曾于2011年制造出了同类元件，但为获得充分的发光。2012年后，改变了电极位置，在由原来n型电极位于共振器中央的纵向构造变为n型和p型电极配置于共振器两端的横向构造时，电流注入效率和发光Q值有了大幅提高。横向构造的元件安装在载体SiO2基板上时，发光的Q值为560。并且，蚀刻去除SiO2层之后，确认了测得Q值为1560。“现在也可作为LED使用，但Q值接近1万时，激光振荡的可能性增大。我们争取在3～4年内实现”（丸泉）。剩下的课题是量产性。因为MBE法是可制造元件小、不适合量产的制造工艺。丸泉表示“如果采用超高真空CVD法，估计能够制造更高品质的Ge量子点，还能够支持将来的量产”。（记者：野泽哲生）


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