矽光技術新突破:基於六方鍺和鍺矽合金的直接帶隙發光

2020-11-28 光纖日報

4/15/2020，光纖在線訊，4月8日的「自然」雜誌發表了荷蘭埃因霍芬理工大學Erik P. A. M. Bakkers等的文章「基於六方鍺和鍺矽合金的直接帶隙發光」，克服了傳統上矽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，作者團隊基於直接帶隙六方相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，在很寬的範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合金今後作為一種理想的半導體材料系統，可以在單個晶片上結合電子和光電功能，從而為矽光集成的大規模應用開闢了道路。

傳統的立方相結晶矽屬於間接帶隙材料。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，可以將布裡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摺疊，這將導帶的能量最小的位置轉移至布裡淵區的中心，從而產生直接帶隙。他們的試驗結果證實了這一猜想。

講到這裡，我們先科普一下帶隙和布裡淵區等概念。所有這些概念都來源於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。基於泡利不相容原理，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，薛丁格方程給出的電子波函數類似於駐波，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裡淵區（一種動量空間描述，晶格在動量空間的傅立葉變換）。被電子完全佔據的能帶成為價帶，沒有被電子佔據的成為導帶。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，並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矽合金化，可以將材料發出的光子能量從0.3 eV提高到了0.67eV。這一發現為矽光集成晶片上直接製作光源提供了可能。

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

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