東京都市大學（原武藏工業(yè)大學）綜合研究所宣布，已證實采用硅類半導體制作的元件，可在室溫（300K）下通過注入電流實現(xiàn)Q值高達1560的發(fā)光。該大學表示，“這在硅類半導體技術中屬于全球最高值，完全可用作LED”。在采用硅類半導體實現(xiàn)光傳輸?shù)?ldquo;硅光子”技術領域，開發(fā)進程滯后的發(fā)光元件有可能由此向前邁進了一步。

　　負責此次開發(fā)的是東京都市大學工學部教授，綜合研究所硅納米科學研究中心主任丸泉琢也的研發(fā)小組。此次，該小組在鍺（Ge）半導體的量子點層和硅半導體層構成的超晶格中，嵌入采用光子結晶技術的共振器，由此證實了高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（Molecular Beam Epitaxy，MBE）法按照約1010個/cm2的面密度制作直徑78±3nm、高12nm的鍺量子點，然后，在其上面層疊硅層。按照這種順序重疊三層鍺量子點層。此時，會打多個直徑約為260nm的垂直孔，這些垂直孔會形成光子結晶，起到將光線封閉起來的共振器作用。

　　然后再進行n型和p型摻雜，形成以共振器部分為i層（本征半導體層）的硅類PIN構造，制成元件。

　　鍺和硅都被稱作“間接躍遷型半導體”，在半導體的能帶結構中，能量最大的價帶與能量最小的導帶之間的動能并不一致。因此，鍺和硅就成了電子和空穴難以再結合、因而不易發(fā)光的半導體。

　　而此次的元件之所以能發(fā)光，是因為以鍺量子點為p型半導體、以硅層為n型半導體，使空穴和電子能再結合。丸泉表示，“這不同于量子點的尺寸效應”。該元件的發(fā)光波長約為1.4μm。另外，塊狀鍺的帶隙為0.67eV（對應的發(fā)光波長約為1.9μm），硅的帶隙為1.1eV（對應的發(fā)光波長約為1.1μm），與此次元件的發(fā)光波長完全不同。東京都市大學介紹：“波長基本上由共振器的尺寸來決定。”

　　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和硅構成的超晶格，于2010年在室溫下確認了基于電流注入的發(fā)光現(xiàn)象。不過，以前共振器無法按預想動作，發(fā)光波長范圍太大，只能獲得微弱的發(fā)光。

　　此次與原來的最大不同是流入元件中的電流流向，原來的電流流向是垂直貫穿鍺量子點與硅超晶格層，而此次則是電流沿著超晶格層流動，改變了電極的位置。這樣一來，共振器可有效發(fā)揮作用，Q值大幅提高。

　　另外，此次還優(yōu)化了共振器的設計，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，將其位置向外側稍微移動了一些，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，東京都市大學丸泉研發(fā)小組今后將使發(fā)光波長接近光通信中使用的1.55μm，同時進一步優(yōu)化元件構造，將Q值提高至數(shù)千甚至上萬，爭取在3～4年內實現(xiàn)激光振蕩。（記者：野澤 哲生，《日經電子》）