半導(dǎo)體所在硅量子點發(fā)光機制研究取得重要成果

　　延續(xù)了半個多世紀(jì)的摩爾定律預(yù)計將在2020年左右失效，硅基光電集成技術(shù)有望接替微電子成為未來信息技術(shù)的基石，但硅基光電子集成技術(shù)的實用化面臨缺少硅基片上光源這一最后障礙。因此，硅基片上光源是當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)皇冠上的明珠，其研制成功將引領(lǐng)整個硅基光電子集成技術(shù)的重大變革。硅光電集成技術(shù)處于前沿探索階段的半導(dǎo)體量子計算芯片的核心地位，可為集成在同一個芯片上的量子器件與光電器件提供信息交換和通信。

　　國際上，已提出硅量子點、硅鍺超晶格、鍺錫合金、應(yīng)變鍺、III-V族與硅的混合集成、稀土元素?fù)诫s、硅同素異晶體等硅基片上光源方案，但迄今還沒有可用于硅光電集成技術(shù)的實用化光源。硅量子點在1988年被制備出后，得到廣泛研究，成為實現(xiàn)硅發(fā)光的有力候選者，但硅量子點的發(fā)光機制及是否高效發(fā)光存在爭議。2010年，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)教授Gregorkiewicz研究組發(fā)表在Nature Nano的論文，發(fā)現(xiàn)高能熱PL峰隨硅量子點的變小在能量上發(fā)生反常的顯著紅移，而基態(tài)PL峰跟預(yù)期的一樣在量子束縛效應(yīng)作用下發(fā)生藍(lán)移，這個高能PL峰來自硅的Г-Г直接帶隙躍遷。如果這一結(jié)論成立，那么，由此外推可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)硅量子點縮小到2納米以下后可以實現(xiàn)由間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)硅量子點直接帶隙發(fā)光，論文一經(jīng)發(fā)表后立即引起廣泛關(guān)注和跟進研究。

　　中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所超晶格國家重點實驗室研究員駱軍委，使用現(xiàn)代納米計算技術(shù)模擬真實的硅量子點，計算得到的吸收和發(fā)光光譜與最新發(fā)展的單量子點光譜技術(shù)得到的硅量子點光譜非常吻合，在系統(tǒng)分析了硅量子點電子結(jié)構(gòu)隨量子點大小變化后，發(fā)現(xiàn)處于高能硅直接帶隙躍遷并沒有隨硅量子點的變小而顯著發(fā)生紅移，并最終導(dǎo)致硅量子點成為直接帶隙發(fā)光，這推翻了Gregorkiewicz研究組認(rèn)為的硅量子點可以成為直接帶隙發(fā)光的發(fā)現(xiàn)，該研究將在全球范圍內(nèi)及時制止在該硅基發(fā)光方向進行無謂的研究。

　　研究成果近日在線發(fā)表在Nature Nanotechnology上，研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中組部青年千人計劃的支持。

　　a,根據(jù)Gregorkiewicz研究組的實驗數(shù)據(jù)，硅量子點間接帶隙基態(tài)PL帶和高能直接帶隙PL帶隨量子點直徑大小改變的變化。b,對于直徑3納米硅量子點，我們在溫度為70K測得的單量子發(fā)光譜和吸收譜與理論計算結(jié)果的比較。c,Gregorkiewicz研究組的實驗數(shù)據(jù)指出隨量子點減小直接帶隙在能量上迅速紅移（光譜上的紅移是指光子能量變小，光子波長變長），而我們的理論結(jié)果指出隨硅量子點變小，直接帶隙沒有發(fā)生顯著紅移，而是有一點藍(lán)移。