ドレスト光子によるシリコン広帯域発光・受光デバイス機能の両立発現

使用修饰光子兼容开发硅宽带发光和光接收器件功能

基本信息

批准号：
13J00905
负责人：
田中肇
金额：
$ 1.73万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度はドレスト光子によるシリコンレーザーの高出力化としきい値電流密度の低減に成功した。今年度は共振器長が非常に大きな（15 mm）とした導波路構造を作製した。作製プロセスは簡略化を行い、電極形成のためのスパッタリング装置、導波路厚みを削減するための研磨装置、素子分離するためのダイサーもしくはへき開装置を利用するのみとなった。作製した導波路構造に対し、発光させたい波長のレーザー光を導波させながら順方向に電流を流すアニール方法、ドレスト光子フォノン援用アニールを施した。その後、電流注入によって発光を確認した。素子の特性として、しきい値電流密度が存在し、発光した光は指向性と干渉性が高かったためレーザー発振であると確認した。片側出力は110 mWと現在の化合物半導体を用いた赤外レーザーと遜色ない性能を示し、またその出力はさらに改善が可能である。しきい値電流密度は12 A/cm2であり、前年度に実現したシリコンレーザーの1／3の値であった。これらの結果は量子ドットレーザーと比較してもしきい値電流密度を大きく下げただけではなく、出力についても非常に高い値が得られた。この高出力と低しきい値電流密度を可能にさせたのはシリコンの発光原理にドレスト光子を利用することでバンドギャップエネルギーよりも小さな光子エネルギーを持つ赤外光を発光させたことと、発光した赤外光に対する吸収損失が非常に小さいためである。以上の研究成果から、従来発光素子材料として不適と考えられてきた間接遷移型半導体であるシリコンにおいても発光可能であること、かつ大出力な発光素子が作成可能であることを示した。

今年，我们成功地提高了硅激光器的功率并使用修饰光子降低了阈值电流密度。今年，我们制造了一种具有非常大的谐振器长度（15毫米）的波导结构。制造工艺得到了简化，仅使用溅射装置来形成电极，使用抛光装置来减少波导厚度，以及使用切割机或切割装置来分离元件。对所制造的波导结构进行修整光子-声子辅助退火，这是一种在引导所需波长的激光束的同时电流向前流动的退火方法。此后，通过电流注入确认发光。作为该器件的特性，存在阈值电流密度，并且发射的光具有高度的方向性和相干性，因此可以确认它是激光振荡。单边输出为110 mW，与目前使用化合物半导体的红外激光器相当，并且输出还可以进一步提高。阈值电流密度为12 A/cm2，是前一年硅激光器达到的值的三分之一。与量子点激光器相比，这些结果不仅显着降低了阈值电流密度，而且提供了极高的输出值。这种高输出和低阈值电流密度的实现是利用硅发光原理中的修饰光子发射光子能量小于带隙能量的红外光，以及发射光子能量小于带隙能量的红外光。这是因为红外光的吸收损失极小。上述研究结果表明，即使是被认为不适合作为发光器件材料的间接跃迁型半导体硅也可以发光，并且可以制造高输出的发光器件。