光電|美麻省理工學院開發光子和電子動量匹配新方法,是光電半導體晶片集成的重要裡程碑

2021-02-08 大國重器高端電子元器件

由麻省理工學院（MIL）和以色列理工學院（Technion）開發的一種新方法增強了光與物質之間的相互作用，可以更高效的使太陽能電池收集更大範圍的波長，以及實現具有完全可調諧發射範圍的新型雷射器和發光二極體（LED）。新發現成果發表在了《自然·光子學》雜誌上。

新方法的基本原理是使光子的動量與電子的動量更接近，通常電子的動量比光子的動量大幾個數量級，由於動量的巨大差異，這些粒子間的相互作用微弱。科學家評論說：「將這些動量緊密更接近可以更好地控制它們之間的相互作用，這催生了基於這些過程的新型基礎研究以及許多新應用。」

 以色列理工學院的Ido Kaminer評論道：「儘管矽作為大多數當今電子產品的基礎非常重要，但它並不適用於涉及光的應用，例如LED和太陽能電池，儘管目前它仍是太陽能電池的主要材料，但效率很低。改善光與矽等重要電子材料之間的相互作用可能是將光子學與電子半導體晶片集成的重要裡程碑。大多數研究這個問題的人都關注矽片本身，但我們新發現的這種做法非常不同，我們正試圖改變光，而不是改變矽片。人們經常試圖控制光物質相互作用，但是他們通常不會考慮調整光本身。」

實現這一目標的一種方法是縮小光的波長，以大幅度降低單個光子的動量，使它們接近電子的動量，研究人員表明，在他們的理論研究中，讓光線穿過一種覆蓋一層石墨烯的多層薄膜材料，光線波長可以縮短一千倍。

圖為動量匹配：用石墨烯覆蓋的、由砷化鎵（GaAs）和銦鎵砷（InGaAs）薄膜組成的多層材料

研究成果的第一作者以色列理工學院的Yaniv Kurman評論道：「由GaAs和InGaAs薄膜組成的多層材料以一種高度可控的方式改變了通過它的光子的行為。這使得研究人員能夠將材料的發射頻率控制在20％到30％之間。在基於石墨烯的材料中，實際上可以通過簡單地改變施加到石墨烯層的電壓來直接控制這些性能，那樣我們完全可以控制光的特性，而不僅僅是測量它。」

研究人員進一步評論說，這種方法可能導致新型太陽能電池能夠吸收更寬範圍的光波長，這將使器件更有效地將光能轉換為電能。新方法也可能催生新型的雷射器和發光二極體等發光器件，這些器件可以通過電子方式進行調整以產生各種顏色。

該研究團隊表示，雖然這項工作不是用矽進行的，但應該可以將相同的原理應用於矽基器件。Kurman表示，通過縮小動量差距，可以將矽引入基於等離子激元器件的世界。

巴塞隆納光子科學研究所物理學教授Frank Koppens雖然未參與這項研究，他表示：「這項工作的質量非常高，而且相當出色。由於它與傳統的發射極-光線相互作用觀點截然不同，這種發現是極其重要的。 由於目前為止的工作是理論性的，主要問題是這種效應在實驗中是否可見。不過，我相信它很快就會出現。我們可以預見許多應用，例如更高效的發光器、太陽能電池、光電探測器等。全部集成在一個晶片上。這也是一種控制光發射器波長的新方法，我相信會有有一些我們甚至都沒有想到過的應用發生。」

這項工作得到了麻省理工學院國際科學與技術計劃（MISTI）中的以色列計劃的支持。

Control of semiconductor emitter frequency by increasing polariton momenta. Nature Photonics (04 June 2018)

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