Nature：半世纪逐梦，半导体硅终将迎来光学革命？

飞翔的bird

2020-04-13

导读：人类历史的发展史，就是一部材料更替史。在当今信息世界，材料霸主当属硅无疑。硅作为电子学领域的杰出材料，其优秀的电学特性、高丰度、低成本及出色的可加工性等优势促成了硅技术革命的爆发：可大规模制造的硅芯片的不断开发使其计算功能可以集成到任何设备中。可惜的是，硅因其立方晶格结构而导致光吸收和发射效率低下，使其无法在诸多光子学应用中大显身手。近日，Nature杂志报告了一种具有优异光电性能的硅锗合金的开发，可以帮助开发与当前硅电子设备兼容的光子学技术。

硅合金的机遇与挑战

硅是一种间接带隙半导体，光吸收和发射效率很低。以太阳能电池为例，基于硅的太阳能电池必须比基于砷化镓（一种直接带隙半导体，光吸收和发射效率高）的太阳能电池至少要厚100倍才能收集相同数量的光。更重要的是，由于硅的这些缺点，即使经过数十年的深入研究，基于硅的激光器仍然是一个未实现的梦想。取而代之的是，激光器通常是使用“复合”半导体制成的，其中包含了铟或镓之类的昂贵元素。在当前可用的硅光子学方案中，用于吸收或发射光的组件也大多由混合半导体制成。而加州大学伯克利分校杨培东教授等人开发的第一台纳米激光器，则采用了ZnO纳米线。

几代科学家前仆后继，尝试了各种不同方式去调控硅的电子能带结构，以将硅和含硅合金转变为适用于光子学应用的材料。早在20世纪70年代，Fadaly等人首次提出区域折叠策略（zone folding strategy），他认为，可将存在周期性电势的间接带隙半导体，转换为直接带隙半导体。

目前为止，使用这种方法的最佳案例是在1992年报道的一种特殊类型的，被称为伪直接带隙半导体的硅锗合金。与间接带隙半导体相比，其吸收和发射光的效率更高，但比直接带隙半导体的吸收和发光效率低。这是通过交替使用原子组成不同的原子层来实现的，然而这种材料仍然无法充分有效地吸收或发射光，无法满足光子学应用的需要。

新突破

有鉴于此，埃因霍芬理工大学Elham M. T. Fadaly和Erik P. A. M.Bakkers等人首次开发了一种具有优异光学性能的六方晶格锗和硅锗合金直接带隙半导体纳米线。这种半导体纳米线材料具有优越的光吸收和发射性能，有望推动第一台半导体硅激光器的问世，并昭示着半导体硅光学革命到来！

图1. GaAs/Ge核壳纳米线概述。

技术特色1：独特而精准地调控原子堆叠方式

硅合金的传统方法，是通过交替使用不同成分的原子层来改变原子势去制备硅锗合金。这次，研究人员另辟蹊径，采用了交替使用两种锗和硅锗合金中的原子堆叠方式，这将材料的晶格结构从立方晶格转变为六方晶格。六方晶格的晶胞包含的原子数是立方晶胞的两倍，晶格的改变使其布里渊区面积减半，材料的电子能带在动量空间中折叠，导致导带能量最小的位置移至布里渊区中心，从而产生直接带隙。作者使用量子力学计算确定六方晶体结构中锗和硅锗合金的精确能带结构，从而确认这些材料具有直接带隙。

图2. 立方晶格的硅及六方晶格的硅锗合金。

技术特色2：宽范围内发射波长可调

更重要的是，作者证明了六方晶格的锗具有光电级直接带隙半导体的作用。此外，他们发现通过将六方晶格的锗与不同量的硅进行合金化，通过控制这种六方晶格硅锗合金的成分，能够保持直接带隙的同时在很宽的范围内连续调节发射波长。

图3. 直接带隙硅锗合金的可调性

纳米线的独特优势

在这项技术中，不得不提到纳米线。纳米线作为一种独特的一维纳米材料，本研究中其直径在几纳米到几百纳米之间，主要起到两个作用：

1. 纳米线的高比表面积确保亚稳态晶相的形成。

2. 能够使光以最适合光子学应用的方式与纳米线材料相互作用。例如，可以设计纳米线形状以确保有效的光吸收并防止光因内部反射而被捕获在纳米结构中。

3. 纳米线还可能用于光检测器中，以超快收集从入射光子产生的电荷载流子，这种效应对于高速通信来说极为有用。

展望未来

这项研究，有望推动第一台基于硅激光器的问世，并直接促进硅基激光器和中红外光探测器的发展，迎来硅技术的第二革命。硅基激光器和中红外光探测器都将与计算机电路中的互补金属氧化物半导体（CMOS）硅技术兼容。此外，中红外探测器可以用于大规模低成本的激光雷达平台，这是一种基于激光的测量技术，可以应用于汽车驾驶以检测物体。

参考文献

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.