英国研究人员在硅芯片上外延生长形成激光源

     英国卡迪夫大学(Cardiff University)等的研究人员成功在硅(Si)上，以异质外延生长方式形成了由III-V族化合物构成的量子点(QD)型半导体激光器，并实现了非常低的电流密度和长寿命。向在硅芯片上形成光电路的“硅光子”的普及迈进了一步。

    此次在硅上形成的QD型半导体激光器的发光波长为1310nm。阈值电流密度只有62.5A/cm2。室温下的发光功率为105mW，最高工作温度为120℃。根据3100个小时连续发光试验结果推测的发光寿命为100158小时。QD采用直径约为20nm、厚度约为7nm的InAs和GaAs。

    大幅减少贯通缺陷

    以前，使III-V族化合物在硅上异质外延生长非常困难。因为在晶格常数和晶体结构上，硅与化合物有着明显不同。即使勉强使其生长，也会产生很多晶格缺陷。尤其是大量贯通缺陷到达活性层时，载流子会在此产生不利于发光的再结合，发光效率会明显降低。

    过去，也有在硅芯片上形成III-V族化合物类激光源的例子，但这些都是采用“晶圆接合(WB)”这种贴合方法实现的。

    不过，晶圆接合方法存在需要高真空、水分等杂质容易进入界面等课题。有的工艺下，贴合时的对位精度成为课题。如果能采用异质外延生长方法制造，就没不必再采用晶圆接合方法了。

    此次，英国卡迪夫大学及谢菲尔德大学(University of Sheffield)等的研究人员组成的研究小组通过彻底减少晶格缺陷、尤其是贯通缺陷，成功在硅上通过异质外延生长形成了高品质的半导体激光器。

    减少贯通缺陷的措施之一是使硅(100)面倾斜4度。这是1986年发现的方法，能减少AlAs及GaAs等晶体产生的各种缺陷。

    作为吸收晶格常数偏差的缓冲层，在硅上层叠了约6nm厚的AlAs层及约1μm厚的GaAs层。GaAs层的生长温度分350℃、450℃、590℃三个级别，可以防止贯通缺陷在同一条件下生长。但是缓冲层表面的贯通缺陷密度仍很多，为1×109个/cm2。

    还有一个措施是在GaAs层上形成了阻止贯通缺陷的“应变层超晶格(Strained-Layer Superlattices，SLS)”层。SLS层由10nm厚的InGaAs层与10nm厚的GaAs层构成。SLS层形成后在660℃的温度下实施了约6分钟的退火。

    这种SLS层共有5层，与约60nm厚的GaAs层交替形成。每层叠一层SLS，可使贯通缺陷密度降至原来的几分之一至十分之一，在第5层SLS的表面，贯通缺陷密度为1×105个/cm2，比形成SLS层之前大幅减少。虽然与在GaAs基板上形成GaAs类半导体激光器时的贯通缺陷密度1×103～1×104个/cm2相比还差一些，但在在硅上异质外延生长形成激光器的实例中已是最高品质，从而实现了较长寿命的激光发光。