導(dǎo)讀：人類歷史的發(fā)展史，就是一部材料更替史。在當(dāng)今信息世界，材料霸主當(dāng)屬硅無(wú)疑。硅作為電子學(xué)領(lǐng)域的杰出材料，其優(yōu)秀的電學(xué)特性、高豐度、低成本及出色的可加工性等優(yōu)勢(shì)促成了硅技術(shù)革命的爆發(fā)：可大規(guī)模制造的硅芯片的不斷開(kāi)發(fā)使其計(jì)算功能可以集成到任何設(shè)備中?？上У氖?，硅因其立方晶格結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致光吸收和發(fā)射效率低下，使其無(wú)法在諸多光子學(xué)應(yīng)用中大顯身手。近日，Nature雜志報(bào)告了一種具有優(yōu)異光電性能的硅鍺合金的開(kāi)發(fā)，可以幫助開(kāi)發(fā)與當(dāng)前硅電子設(shè)備兼容的光子學(xué)技術(shù)。
硅合金的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體，光吸收和發(fā)射效率很低。以太陽(yáng)能電池為例，基于硅的太陽(yáng)能電池必須比基于砷化鎵（一種直接帶隙半導(dǎo)體，光吸收和發(fā)射效率高）的太陽(yáng)能電池至少要厚100倍才能收集相同數(shù)量的光。更重要的是，由于硅的這些缺點(diǎn)，即使經(jīng)過(guò)數(shù)十年的深入研究，基于硅的激光器仍然是一個(gè)未實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想。取而代之的是，激光器通常是使用“復(fù)合”半導(dǎo)體制成的，其中包含了銦或鎵之類的昂貴元素。在當(dāng)前可用的硅光子學(xué)方案中，用于吸收或發(fā)射光的組件也大多由混合半導(dǎo)體制成。而加州大學(xué)伯克利分校楊培東教授等人開(kāi)發(fā)的第一臺(tái)納米激光器，則采用了ZnO納米線。
幾代科學(xué)家前仆后繼，嘗試了各種不同方式去調(diào)控硅的電子能帶結(jié)構(gòu)，以將硅和含硅合金轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于光子學(xué)應(yīng)用的材料。早在20世紀(jì)70年代，F(xiàn)adaly等人首次提出區(qū)域折疊策略（zone folding strategy），他認(rèn)為，可將存在周期性電勢(shì)的間接帶隙半導(dǎo)體，轉(zhuǎn)換為直接帶隙半導(dǎo)體。
目前為止，使用這種方法的最佳案例是在1992年報(bào)道的一種特殊類型的，被稱為偽直接帶隙半導(dǎo)體的硅鍺合金。與間接帶隙半導(dǎo)體相比，其吸收和發(fā)射光的效率更高，但比直接帶隙半導(dǎo)體的吸收和發(fā)光效率低。這是通過(guò)交替使用原子組成不同的原子層來(lái)實(shí)現(xiàn)的，然而這種材料仍然無(wú)法充分有效地吸收或發(fā)射光，無(wú)法滿足光子學(xué)應(yīng)用的需要。
新突破
有鑒于此，埃因霍芬理工大學(xué)Elham M. T. Fadaly和Erik P. A. M.Bakkers等人首次開(kāi)發(fā)了一種具有優(yōu)異光學(xué)性能的六方晶格鍺和硅鍺合金直接帶隙半導(dǎo)體納米線。這種半導(dǎo)體納米線材料具有優(yōu)越的光吸收和發(fā)射性能，有望推動(dòng)第一臺(tái)半導(dǎo)體硅激光器的問(wèn)世，并昭示著半導(dǎo)體硅光學(xué)革命到來(lái)！
圖1. GaAs/Ge核殼納米線概述。
技術(shù)特色1：獨(dú)特而精準(zhǔn)地調(diào)控原子堆疊方式
硅合金的傳統(tǒng)方法，是通過(guò)交替使用不同成分的原子層來(lái)改變?cè)觿?shì)去制備硅鍺合金。這次，研究人員另辟蹊徑，采用了交替使用兩種鍺和硅鍺合金中的原子堆疊方式，這將材料的晶格結(jié)構(gòu)從立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱骄Ц瘛?/strong>六方晶格的晶胞包含的原子數(shù)是立方晶胞的兩倍，晶格的改變使其布里淵區(qū)面積減半，材料的電子能帶在動(dòng)量空間中折疊，導(dǎo)致導(dǎo)帶能量最小的位置移至布里淵區(qū)中心，從而產(chǎn)生直接帶隙。作者使用量子力學(xué)計(jì)算確定六方晶體結(jié)構(gòu)中鍺和硅鍺合金的精確能帶結(jié)構(gòu)，從而確認(rèn)這些材料具有直接帶隙。
圖2. 立方晶格的硅及六方晶格的硅鍺合金。
技術(shù)特色2：寬范圍內(nèi)發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)
更重要的是，作者證明了六方晶格的鍺具有光電級(jí)直接帶隙半導(dǎo)體的作用。此外，他們發(fā)現(xiàn)通過(guò)將六方晶格的鍺與不同量的硅進(jìn)行合金化，通過(guò)控制這種六方晶格硅鍺合金的成分，能夠保持直接帶隙的同時(shí)在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)發(fā)射波長(zhǎng)。
圖3. 直接帶隙硅鍺合金的可調(diào)性
納米線的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)
在這項(xiàng)技術(shù)中，不得不提到納米線。納米線作為一種獨(dú)特的一維納米材料，本研究中其直徑在幾納米到幾百納米之間，主要起到兩個(gè)作用：
1. 納米線的高比表面積確保亞穩(wěn)態(tài)晶相的形成。
2. 能夠使光以最適合光子學(xué)應(yīng)用的方式與納米線材料相互作用。例如，可以設(shè)計(jì)納米線形狀以確保有效的光吸收并防止光因內(nèi)部反射而被捕獲在納米結(jié)構(gòu)中。
3. 納米線還可能用于光檢測(cè)器中，以超快收集從入射光子產(chǎn)生的電荷載流子，這種效應(yīng)對(duì)于高速通信來(lái)說(shuō)極為有用。
展望未來(lái)
這項(xiàng)研究，有望推動(dòng)第一臺(tái)基于硅激光器的問(wèn)世，并直接促進(jìn)硅基激光器和中紅外光探測(cè)器的發(fā)展，迎來(lái)硅技術(shù)的第二革命。硅基激光器和中紅外光探測(cè)器都將與計(jì)算機(jī)電路中的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）硅技術(shù)兼容。此外，中紅外探測(cè)器可以用于大規(guī)模低成本的激光雷達(dá)平臺(tái)，這是一種基于激光的測(cè)量技術(shù)，可以應(yīng)用于汽車駕駛以檢測(cè)物體。
參考文獻(xiàn)
1.Elham M. T. Fadaly et al. Direct-bandgapemission from hexagonal Ge and SiGe alloys. Nature 2020, 580, 205–209.
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2150-y
2.Nanostructured alloys light the way tosilicon-based photonics. Nature 2020, 580, 188-189.
https://doi.org/10.1038/d41586-020-00976-8
3.H. Presting et al. Semicond. Sci. Technol. 1992, 7, 1127.
