4/15/2020，光纖在線訊，4月8日的“自然”雜志發(fā)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(fā)光”，克服了傳統(tǒng)上硅材料因為是間接帶隙不能直接發(fā)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(xiàn)了與直接帶隙III-V族半導體相似的發(fā)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(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)發(fā)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(tǒng)，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(guī)模應用開辟了道路。

傳統(tǒng)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(qū)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(zhuǎn)移至布里淵區(qū)的中心，從而產(chǎn)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(qū)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(jù)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�；�于泡利不相容原理，不存在兩個相同量子態(tài)的電子，電子依據(jù)自旋不同具有不同的量子態(tài)。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(xù)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(shù)類似于駐波，電子能級不再是連續(xù)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(qū)（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(jù)的能帶成為價帶，沒有被電子占據(jù)的成為導帶。如果從價帶激發(fā)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(fā)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(fā)射和與溫度無關的納秒輻射壽命，此外，他們發(fā)現(xiàn)通過將六方形鍺與不同量的硅合金化，可以將材料發(fā)出的光子能量從0.3 eV提高到了0.67eV。這一發(fā)現(xiàn)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/