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硅納米線陣列寬光譜光源

來(lái)源: X-MOL 2017-07-03 17:23:57

硅作為微電子工業(yè)領(lǐng)域最重要的基石，在集成電路發(fā)展中起到了至關(guān)重要的作用。但隨著器件尺寸越來(lái)越小，過(guò)高的互連和集成度帶來(lái)了信號(hào)延遲和器件過(guò)熱的問(wèn)題，為大規(guī)模集成電路為代表的微電子工業(yè)持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。硅基光電子集成則是解決這一難題的理想途徑。然而將兩種截然不同的技術(shù)（電子學(xué)與光子學(xué)）集成在同一片硅片上，最大的挑戰(zhàn)是光源的問(wèn)題。對(duì)于發(fā)光器件，目前大量的研究集中在GaAs，InGaAs等直接帶隙半導(dǎo)體，但目前為止實(shí)現(xiàn)III-V族等直接帶隙半導(dǎo)體材料與硅基集成還存在巨大的阻礙。另外，由于硅材料具有間接帶隙能帶結(jié)構(gòu)，其發(fā)光效率極低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)光的有效發(fā)射。

中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與復(fù)旦大學(xué)物理系合作，針對(duì)硅基光電子集成技術(shù)中光源的需求，利用硅納米線陣列，結(jié)合表面等離子激元，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)至近紅外區(qū)域的波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)寬光譜發(fā)光。他們將SOI材料中的頂層硅材料加工成具有類(lèi)梯形結(jié)構(gòu)硅納米線的陣列，并與銀薄膜產(chǎn)生的等離子激元形成共振腔增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)硅納米線陣列的發(fā)光增強(qiáng)。有意思的是，在聲子輔助作用下，光激發(fā)熱載流子的復(fù)合發(fā)光不再受制于傳統(tǒng)體硅帶邊發(fā)光的限制，而是可以受到納米腔共振模引起的光場(chǎng)態(tài)密度的強(qiáng)烈調(diào)控。借助于時(shí)域有限差分法(FDTD)理論，他們發(fā)現(xiàn)硅納米線發(fā)光峰位與納米腔共振模式具有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，并進(jìn)一步通過(guò)硅納米線陣列尺寸變化改變納米腔的共振模式，尺寸連續(xù)漸變的硅納米線能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)光峰位在可見(jiàn)至近紅外區(qū)域的連續(xù)可調(diào)。該研究為硅基光源開(kāi)辟了一條新的途徑，為實(shí)現(xiàn)硅基光電集成提供了實(shí)驗(yàn)與理論基礎(chǔ)，有助于推動(dòng)硅基光源的大規(guī)模應(yīng)用。

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