硅光技術新突破:基于六方鍺和鍺硅合金的直接帶隙發光

光纖在線編輯部  2020-04-15 15:39:29  文章來源:綜合整理  版權所有,未經許可嚴禁轉載.

導讀:4月8日的“自然”雜志發表了荷蘭埃因霍芬理工大學Erik P. A. M. Bakkers等的文章“基于六方鍺和鍺硅合金的直接帶隙發光”,克服了傳統上硅材料因為是間接帶隙不能直接發光的難題。許多科普微信公眾號都介紹了這一成果。

4/15/2020,光纖在線訊,4月8日的“自然”雜志發表了荷蘭埃因霍芬理工大學Erik P. A. M. Bakkers等的文章“基于六方鍺和鍺硅合金的直接帶隙發光”,克服了傳統上硅材料因為是間接帶隙不能直接發光的難題。許多科普微信公眾號都介紹了這一成果。

在這篇文章中,作者團隊基于直接帶隙六方相Ge和SiGe合金實現了與直接帶隙III-V族半導體相似的發光率。同時證明了通過控制六方相SiGe合金的成分,可以在保持直接帶隙的同時,在很寬的范圍內連續調節發射波長。實驗結果與理論非常吻合。六方相SiGe合金今后作為一種理想的半導體材料系統,可以在單個芯片上結合電子和光電功能,從而為硅光集成的大規模應用開辟了道路。

傳統的立方相結晶硅屬于間接帶隙材料。Bakkers等人認為將晶體結構從立方相更改為六方相,沿<111>晶體方向的對稱性將從根本上改變。六方晶胞包含的原子是立方晶胞的兩倍,可以將布里淵區的體積大小減半,從而導致材料中電子能帶在動量空間中折疊,這將導帶的能量最小的位置轉移至布里淵區的中心,從而產生直接帶隙。他們的試驗結果證實了這一猜想。

講到這里,我們先科普一下帶隙和布里淵區等概念。所有這些概念都來源于量子力學以及固體物理理論。根據這些理論,原子是由原子核與核外電子們組成的中性例子,電子以一定的概率形式分布在類似軌道的核外電子云上;谂堇幌嗳菰,不存在兩個相同量子態的電子,電子依據自旋不同具有不同的量子態。一個原子核外的電子能級只能容納兩個電子,排布在不同的核外電子能級上。當原子足夠多的時候,電子能級變得連續起來,這就是能帶的概念。而在晶格結構的固體中,薛定諤方程給出的電子波函數類似于駐波,電子能級不再是連續的,有部分能級變低了,有部分變高了。在固體物理中,這些能量差就是能帶間隙,而形成這些解的邊界焦作布里淵區(一種動量空間描述,晶格在動量空間的傅里葉變換)。被電子完全占據的能帶成為價帶,沒有被電子占據的成為導帶。如果從價帶激發到導帶不需要聲子phonon(晶格振動的簡正模能量量子)的參與,這就是直接帶隙。直接帶隙材料被認為更適合發光,比如III-V族的InP材料等。

Bakkers通過實驗證明Hex-Si1-xGex的富Ge合金確實是直接帶隙半導體,并且觀察到強發射和與溫度無關的納秒輻射壽命,此外,他們發現通過將六方形鍺與不同量的硅合金化,可以將材料發出的光子能量從0.3 eV提高到了0.67eV。這一發現為硅光集成芯片上直接制作光源提供了可能。

Erik P. A. M. Bakkers研究團隊主頁鏈接:https://www.tue.nl/en/research/researchers/erik-bakkers/
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