硅发光了！答案就在新型硅锗合金里(2)

埃因霍芬理工大学Erik Bakkers领导的研究团队首次实现了一种新型硅锗合金发光材料，并且正在制造一款能够集成到现有芯片中的硅基激光器。他们所寻找的，正是硅基光电集成芯片上那块最重要的“拼图”——硅基高效光源。

研究团队究竟使用了什么方法让硅材料发出光来？

半导体材料可以分为直接带隙和间接带隙材料。直接带隙半导体材料的导带最小值和价带最大值具有同一电子动量，导带底的电子与价带顶的空穴可以通过辐射复合而发光，复合几率大，发光效率高；而间接带隙半导体材料的导带最小值和价带最大值的动量值不同，根据动量守恒要求，导带底的电子与价带顶的空穴通过辐射复合发光时必须有声子的参与才能完成，所以是一个多体互作用过程，发生的几率很低，因此发光效率也很低。通常立方相的硅、锗都属于后者。

然而，物理学家曾经提出，改变硅晶格的形状，使其从立方结构变为六方结构，能带结构的改变，也许可以使这些材料成为有效的发光材料！

经过最近十几年的研究，埃因霍芬理工大学团队发现，虽然六方结构的硅仍然是间接带隙，但六方结构的锗材料确实变为直接带隙，而且硅锗两种材料按一定组分构成的合金也可以成为直接带隙，因而发光效率会大幅度提高。只是要得到这种材料并非易事。

中科院半导体研究所研究员成步文介绍说，硅、锗、锗硅等材料是天然的金刚石结构材料，要实现六方结构必须采用非常规方法，人们尽管可以采用VLS生长纳米硅线、应变、激光微晶沉积等方法制备六方结构硅材料，但很难控制其晶相，保持结构的稳定。

“2015年，该研究团队就曾提出了一种新颖的制备六方结构硅材料的方法，他们以金催化VLS生长的磷化镓纳米线为模板，生长硅壳结构，获得了六方结构的硅材料。此次研究，是他们在已有工作的基础上，采用了类似的方法，以VLS生长的砷化镓(GaAs)纳米线为模板，生长六方结构的锗和锗硅材料。之所以切换模板材料，是为了使外延的锗和锗硅材料与模板材料的晶格常数更加匹配。”

Bakkers表示：“目前，我们已经实现了几乎可与磷化铟和砷化镓媲美的光学特性，并且材料的质量正在逐步提高。如果一切进展顺利，可以在2020年内创造出硅基激光器。这将实现在主要电子平台上紧密集成的光学功能，为芯片上的光学通信以及基于光谱学的廉价化学传感器带来新的前景。”

硅基光电子芯片“暴发”前夜

早在多年以前，从事纳米半导体激光研究的甯存政就曾应邀访问过埃因霍温理工大学该研究小组。他告诉《中国科学报》，从材料科学的角度，六方结构硅锗合金的制备以及高效发光的实验验证是一项非常重要的研究进展。接下去需要解决如何在硅基底上生长出高质量的六方相硅锗合金的问题，这才是真正意义上的硅基发光材料。

“现在报道的这种新型材料并不是在硅衬底上实现的，而是基于GaAs的化合物半导体基底。但由于世界上已经有很多组可以在硅基上生长砷化镓纳米线，下一步自然的做法便是先在硅基底上生长砷化镓纳米线模板，然后再以该文报道的方法生长硅锗纳米壳层。”甯存政强调。

目前, 除六方结构硅锗合金直接带隙发光这一新的技术路线以外，国际上实现硅基光源主要有几个途径:硅纳米结构的发光；稀土掺杂的硅材料发光；硅基锗以及锗锡和锗铅直接带隙材料发光；硅基化合物半导体材料的发光。

成步文解释，前两种均以硅为基质材料，与CMOS工艺兼容性最好，但目前不能实现直接带隙材料，所以很难实现激光器。