中科院在硅納米線陣列寬光譜發(fā)光研究取得新進展

  隨著器件尺寸越來越小，過高的互連和集成度帶來了信號延遲和器件過熱的問題，給以大規(guī)模集成電路為代表的微電子工業(yè)的持續(xù)發(fā)展帶來了很大的挑戰(zhàn)，而硅基光電子集成則是解決這一難題的理想途徑。
   近期，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室SOI材料與器件課題組在硅納米線陣列寬光譜發(fā)光方面取得新進展。課題組研究人員將SOI與表面等離子體技術相結合，研究了硅納米線陣列的發(fā)光性能，并且與復旦大學合作借助時域有限差分法(FDTD)理論計算了硅納米線發(fā)光峰位與納米腔共振模式的對應關系，為實現(xiàn)硅基光電集成奠定了實驗與理論基礎，有助于推動硅基光源的大規(guī)模應用。相關研究成果以Multiband Hot Photoluminescence from Nanocavity-EmbeddedSilicon Nanowire Arrays with Tunable Wavelength 為題于近期發(fā)表在《納米快報》（Nano Lett., 2017, 17 (3), pp1552-1558）上。
  Si作為微電子工業(yè)領域最重要的基石，在集成電路發(fā)展中起到了至關重要的作用。但是隨著器件尺寸越來越小，過高的互連和集成度帶來了信號延遲和器件過熱的問題，給以大規(guī)模集成電路為代表的微電子工業(yè)的持續(xù)發(fā)展帶來了很大的挑戰(zhàn)，而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（電子學與光子學）集成在同一片硅片上，最大的挑戰(zhàn)是光源的問題。對于發(fā)光器件，目前大量的研究集中在GaAs，InGaAs等直接帶隙半導體。但是目前為止實現(xiàn)III-V族等直接帶隙半導體材料與硅基集成還存在巨大的阻礙。然而，硅由于其間接帶隙結構使得其發(fā)光效率極低，無法實現(xiàn)光的有效發(fā)射。SOI課題組母志強、狄增峰、王曦等研究人員將SOI技術與表面等離子激元技術相結合，通過將硅納米線加工成類梯形結構，實現(xiàn)了類梯形結構納米共振腔增強的硅納米線陣列的發(fā)光增強。通過對比實驗與FDTD計算結果，發(fā)現(xiàn)了納米線陣列的發(fā)光峰位與納米腔共振模式的一一對應關系。并且通過制備尺寸漸變的硅納米線陣列，實現(xiàn)了硅納米線陣列發(fā)光峰位在可見以及近紅外區(qū)域的連續(xù)可調。這不僅為硅基光源開辟了一條新的途徑，而且將有力推動硅基光電集成的發(fā)展。

  該工作得到國家自然科學基金委創(chuàng)新研究群體、優(yōu)秀青年基金、中科院高遷移率材料創(chuàng)新研究團隊等相關研究計劃的支持

  編輯點評

  晶體管這個被譽為20世紀最偉大的發(fā)明改變了世界，而以硅材料為基礎的微電子器件則以其低功耗、低成本、易集成等優(yōu)點迅速占領了絕大部分電子市場，并成為當時高科技產業(yè)的重要支柱。