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英國研究人員在硅芯片上外延生長形成激光源

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詳細說明

英國卡迪夫大學(Cardiff University)等的研究人員成功在硅(Si)上,以異質外延生長方式形成了由III-V族化合物構成的量子點(QD)型半導體激光器,并實現了非常低的電流密度和長壽命。向在硅芯片上形成光電路的“硅光子”的普及邁進了一步。

此次在硅上形成的QD型半導體激光器的發光波長為1310nm。閾值電流密度只有62.5A/cm2。室溫下的發光功率為105mW,高工作溫度為120℃。根據3100個小時連續發光試驗結果推測的發光壽命為100158小時。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外延生長非常困難。因為在晶格常數和晶體結構上,硅與化合物有著明顯不同。即使勉強使其生長,也會產生很多晶格缺陷。尤其是大量貫通缺陷到達活性層時,載流子會在此產生不利于發光的再結合,發光效率會明顯降低。

過去,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)”這種貼合方法實現的。

不過,晶圓接合方法存在需要高真空、水分等雜質容易進入界面等課題。有的工藝下,貼合時的對位精度成為課題。如果能采用異質外延生長方法制造,就沒不必再采用晶圓接合方法了。

此次,英國卡迪夫大學及謝菲爾德大學(University of Sheffield)等的研究人員組成的研究小組通過徹底減少晶格缺陷、尤其是貫通缺陷,成功在硅上通過異質外延生長形成了高品質的半導體激光器。

減少貫通缺陷的措施之一是使硅(100)面傾斜4度。這是1986年發現的方法,能減少AlAs及GaAs等晶體產生的各種缺陷。

作為吸收晶格常數偏差的緩沖層,在硅上層疊了約6nm厚的AlAs層及約1μm厚的GaAs層。GaAs層的生長溫度分350℃、450℃、590℃三個級別,可以防止貫通缺陷在同一條件下生長。但是緩沖層表面的貫通缺陷密度仍很多,為1×109個/cm2。

還有一個措施是在GaAs層上形成了阻止貫通缺陷的“應變層超晶格(Strained-Layer Superlattices,SLS)”層。SLS層由10nm厚的InGaAs層與10nm厚的GaAs層構成。SLS層形成后在660℃的溫度下實施了約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/cm2,比形成SLS層之前大幅減少。雖然與在GaAs基板上形成GaAs類半導體激光器時的貫通缺陷密度1×103~1×104個/cm2相比還差一些,但在在硅上異質外延生長形成激光器的實例中已是高品質,從而實現了較長壽命的激光發光。


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