硅光技术新突破：基于六方锗和锗硅合金的直接带隙发光

4/15/2020，光纤在线讯，4月8日的“自然”杂志发表了荷兰埃因霍芬理工大学Erik P. A. M. Bakkers等的文章“基于六方锗和锗硅合金的直接带隙发光”，克服了传统上硅材料因为是间接带隙不能直接发光的难题。许多科普微信公众号都介绍了这一成果。

在这篇文章中，作者团队基于直接带隙六方相Ge和SiGe合金实现了与直接带隙III-V族半导体相似的发光率。同时证明了通过控制六方相SiGe合金的成分，可以在保持直接带隙的同时，在很宽的范围内连续调节发射波长。实验结果与理论非常吻合。六方相SiGe合金今后作为一种理想的半导体材料系统，可以在单个芯片上结合电子和光电功能，从而为硅光集成的大规模应用开辟了道路。

传统的立方相结晶硅属于间接带隙材料。Bakkers等人认为将晶体结构从立方相更改为六方相，沿<111>晶体方向的对称性将从根本上改变。六方晶胞包含的原子是立方晶胞的两倍，可以将布里渊区的体积大小减半，从而导致材料中电子能带在动量空间中折叠，这将导带的能量最小的位置转移至布里渊区的中心，从而产生直接带隙。他们的试验结果证实了这一猜想。

讲到这里，我们先科普一下带隙和布里渊区等概念。所有这些概念都来源于量子力学以及固体物理理论。根据这些理论，原子是由原子核与核外电子们组成的中性例子，电子以一定的概率形式分布在类似轨道的核外电子云上。基于泡利不相容原理，不存在两个相同量子态的电子，电子依据自旋不同具有不同的量子态。一个原子核外的电子能级只能容纳两个电子，排布在不同的核外电子能级上。当原子足够多的时候，电子能级变得连续起来，这就是能带的概念。而在晶格结构的固体中，薛定谔方程给出的电子波函数类似于驻波，电子能级不再是连续的，有部分能级变低了，有部分变高了。在固体物理中，这些能量差就是能带间隙，而形成这些解的边界焦作布里渊区（一种动量空间描述，晶格在动量空间的傅里叶变换）。被电子完全占据的能带成为价带，没有被电子占据的成为导带。如果从价带激发到导带不需要声子phonon（晶格振动的简正模能量量子）的参与，这就是直接带隙。直接带隙材料被认为更适合发光，比如III-V族的InP材料等。

Bakkers通过实验证明Hex-Si1-xGex的富Ge合金确实是直接带隙半导体，并且观察到强发射和与温度无关的纳秒辐射寿命，此外，他们发现通过将六方形锗与不同量的硅合金化，可以将材料发出的光子能量从0.3 eV提高到了0.67eV。这一发现为硅光集成芯片上直接制作光源提供了可能。

Erik P. A. M. Bakkers研究团队主页链接：https://www.tue.nl/en/research/researchers/erik-bakkers/