硅量子点能够改为直接带隙发光的研讨结论被推翻,半导体研究所硅量子点发光机制研商收获新硕果

硅量子点在1988年被制备出后,但硅基光电子集成技术的实用化面临缺少硅基片上光源这一最后障碍,研究了硅纳米线阵列的发光性能

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延续了半个多世纪的摩尔定律预计将在2020年左右失效,硅基光电集成技术有望接替微电子成为未来信息技术的基石,但硅基光电子集成技术的实用化面临缺少硅基片上光源这一最后障碍。因此,硅基片上光源是当前半导体技术皇冠上的明珠,其研制成功将引领整个硅基光电子集成技术的重大变革。硅光电集成技术处于前沿探索阶段的半导体量子计算芯片的核心地位,可为集成在同一个芯片上的量子器件与光电器件提供信息交换和通信。

延续了半个多世纪的摩尔定律预计将在2020年左右失效,硅基光电集成技术有望接替微电子成为未来信息技术的基石,但硅基光电子集成技术的实用化面临缺少硅基片上光源这一最后障碍。因此,硅基片上光源是当前半导体技术皇冠上的明珠,其研制成功将引领整个硅基光电子集成技术的重大变革。硅光电集成技术处于前沿探索阶段的半导体量子计算芯片的核心地位,可为集成在同一个芯片上的量子器件与光电器件提供信息交换和通信。

近期,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室SOI材料与器件课题组在硅纳米线阵列宽光谱发光方面取得新进展。课题组研究人员将SOI与表面等离子体技术相结合,研究了硅纳米线阵列的发光性能,并且与复旦大学合作借助时域有限差分法理论计算了硅纳米线发光峰位与纳米腔共振模式的对应关系,为实现硅基光电集成奠定了实验与理论基础,有助于推动硅基光源的大规模应用。相关研究成果以Multiband
Hot Photoluminescence from Nanocavity-EmbeddedSilicon Nanowire Arrays
with Tunable Wavelength
为题于近期发表在《纳米快报》(Nano Lett.,
2017, 17 , pp1552-1558)上。

国际上,已提出硅量子点、硅锗超晶格、锗锡合金、应变锗、III-V族与硅的混合集成、稀土元素掺杂、硅同素异晶体等硅基片上光源方案,但迄今还没有可用于硅光电集成技术的实用化光源。硅量子点在1988年被制备出后,得到广泛研究,成为实现硅发光的有力候选者,但硅量子点的发光机制及是否高效发光存在争议。2010年,荷兰阿姆斯特丹大学教授Gregorkiewicz研究组发表在Nature
Nano
的论文,发现高能热PL峰随硅量子点的变小在能量上发生反常的显著红移,而基态PL峰跟预期的一样在量子束缚效应作用下发生蓝移,这个高能PL峰来自硅的Г-Г直接带隙跃迁。如果这一结论成立,那么,由此外推可以发现当硅量子点缩小到2纳米以下后可以实现由间接带隙到直接带隙的转变,从而实现硅量子点直接带隙发光,论文一经发表后立即引起广泛关注和跟进研究。

国际上,已提出硅量子点、硅锗超晶格、锗锡合金、应变锗、III-V族与硅的混合集成、稀土元素掺杂、硅同素异晶体等硅基片上光源方案,但迄今还没有可用于硅光电集成技术的实用化光源。硅量子点在1988年被制备出后,得到广泛研究,成为实现硅发光的有力候选者,但硅量子点的发光机制及是否高效发光存在争议。

Si作为微电子工业领域最重要的基石,在集成电路发展中起到了至关重要的作用。但是随着器件尺寸越来越小,过高的互连和集成度带来了信号延迟和器件过热的问题,给以大规模集成电路为代表的微电子工业的持续发展带来了很大的挑战,而硅基光电子集成则是解决这一难题的理想途径。然而将两种截然不同的技术集成在同一片硅片上,最大的挑战是光源的问题。对于发光器件,目前大量的研究集中在GaAs,InGaAs等直接带隙半导体。但是目前为止实现III-V族等直接带隙半导体材料与硅基集成还存在巨大的阻碍。然而,硅由于其间接带隙结构使得其发光效率极低,无法实现光的有效发射。SOI课题组母志强、狄增峰、王曦等研究人员将SOI技术与表面等离子激元技术相结合,通过将硅纳米线加工成类梯形结构,实现了类梯形结构纳米共振腔增强的硅纳米线阵列的发光增强。通过对比实验与FDTD计算结果,发现了纳米线阵列的发光峰位与纳米腔共振模式的一一对应关系。并且通过制备尺寸渐变的硅纳米线阵列,实现了硅纳米线阵列发光峰位在可见以及近红外区域的连续可调。这不仅为硅基光源开辟了一条新的途径,而且将有力推动硅基光电集成的发展。

中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室研究员骆军委,使用现代纳米计算技术模拟真实的硅量子点,计算得到的吸收和发光光谱与最新发展的单量子点光谱技术得到的硅量子点光谱非常吻合,在系统分析了硅量子点电子结构随量子点大小变化后,发现处于高能硅直接带隙跃迁并没有随硅量子点的变小而显著发生红移,并最终导致硅量子点成为直接带隙发光,这推翻了Gregorkiewicz研究组认为的硅量子点可以成为直接带隙发光的发现,该研究将在全球范围内及时制止在该硅基发光方向进行无谓的研究。

2010年,荷兰阿姆斯特丹大学教授Gregorkiewicz研究组发表在Nature
Nano的论文,发现高能热PL峰随硅量子点的变小在能量上发生反常的显著红移,而基态PL峰跟预期的一样在量子束缚效应作用下发生蓝移,这个高能PL峰来自硅的Г-Г直接带隙跃迁。如果这一结论成立,那么,由此外推可以发现当硅量子点缩小到2纳米以下后可以实现由间接带隙到直接带隙的转变,从而实现硅量子点直接带隙发光,论文一经发表后立即引起广泛关注和跟进研究。

该工作得到国家自然科学基金委创新研究群体、优秀青年基金、中科院高迁移率材料创新研究团队等相关研究计划的支持。

研究成果近日在线发表在Nature
Nanotechnology
上,研究工作得到了国家自然科学基金委、中组部青年千人计划的支持。

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a,根据Gregorkiewicz研究组的实验数据,硅量子点间接带隙基态PL带和高能直接带隙PL带随量子点直径大小改变的变化。b,对于直径3纳米硅量子点,我们在温度为70K测得的单量子发光谱和吸收谱与理论计算结果的比较。c,Gregorkiewicz研究组的实验数据指出随量子点减小直接带隙在能量上迅速红移(光谱上的红移是指光子能量变小,光子波长变长),而我们的理论结果指出随硅量子点变小,直接带隙没有发生显著红移,而是有一点蓝移。