苏黎世联邦理工学院 不同放大率下锗/硅锗异质结构之一的扫描透射电子显微镜图像
硅锗层看起来更暗
信用:罗马特瑞大学，德塞塔集团 说到微电子学，有一种化学元素是独一无二的:硅，驱动我们信息社会的晶体管技术的主力
我们在日常生活中使用的无数电子设备证明了今天如何以非常低的成本生产大量硅基组件
因此，似乎很自然地将硅也用于半导体特性被技术开发的其他领域，并探索集成不同功能的方法
在这种情况下，特别感兴趣的是二极管激光器，例如条形码扫描仪或激光指示器中使用的二极管激光器，其通常基于砷化镓(GaAs)
然而不幸的是，在GaAs创造光的物理过程在硅中并不那么有效
因此，寻找实现“硅上激光”的替代途径仍然是一个突出而长期的目标
' 由量子电子学研究所的贾科莫·斯卡拉里教授和杰罗姆·费斯特教授领导的一个国际团队今天在《应用物理快报》上撰文，向这种装置迈出了重要的一步
他们报道了电致发光——产生的电光线——来自基于硅锗的半导体结构，硅锗是一种与硅器件的标准制造工艺兼容的材料
此外，他们观察到的辐射在太赫兹频段，介于微波电子学和红外光学之间，并具有广泛的应用前景
让硅发光 为什么硅不能直接用于制造遵循GaAs模板的激光器，主要原因与它们的基极和基极间隙的不同性质有关，后者是直接的，而前者是间接的
简而言之，在GaAs，电子与带隙中的空穴复合，产生光；在硅中，它们产生热量
因此，硅中的激光作用需要另一条路径
探索一种新的方法是ETH博士研究员大卫·斯塔克和他的同事们正在做的
他们致力于硅基量子级联激光器(QCL)
量子点不是通过带隙上的电子-空穴复合来实现发光的，而是通过让电子穿过精确设计的半导体结构的重复叠层来实现发光的，在此过程中发射光子
QCL范式已经在许多材料中得到了证明——1994年首次由包括杰罗姆·费斯特在内的一个团队在美国贝尔实验室工作——但从未在硅基材料中得到证明，尽管预测很有希望
将这些预测变为现实是欧盟委员会资助的一个跨学科项目的重点，该项目汇集了一组在生长高质量半导体材料方面的领先专家(在罗马第三大学)，对它们进行表征(在法兰克福或奥德的莱布尼茨创新米克罗勒克研究所)，并将它们制造成器件(在格拉斯哥大学)
斯卡里和费斯特的联邦理工学院团队负责对设备进行测量，同时也负责激光器的设计，慕尼黑的nextnano公司、比萨大学和罗马大学的合作伙伴提供了数值和理论支持
当电子隧穿锗/硅锗异质结构时，由于在辐射跃迁的较高状态中的次优注入，它们发射光，目前在两个稍微不同的频率
信用:苏黎世联邦理工学院/大卫·斯塔克 从电致发光到激光 凭借这些知识和专长，该团队设计并制造了单位结构由硅锗和纯锗(ge)制成的器件，高度不到100纳米，重复51次
斯塔克和他的同事们从这些以原子级精度制造的异质结构中检测到了电致发光，正如预测的那样，新出现的光的光谱特征与计算结果非常吻合
通过与以相同的器件几何形状制造的基于GaAs的结构进行比较，进一步确信该器件如预期那样工作
尽管锗/硅锗结构的排放量仍然比GaAs的同类结构低得多，但这些结果清楚地表明该团队走在了正确的轨道上
下一步将是根据团队开发的激光设计组装类似的锗/硅锗结构
最终目标是实现硅基QCL的室温运行
这一成就将在几个方面具有重要意义
它不仅最终将在硅衬底上实现激光，从而推动硅光子学的发展
斯塔克等人创造的结构的发射
是在太赫区，目前紧凑的光源普遍缺乏
硅基量子氯激光器具有潜在的多功能性和降低的制造成本，对于太赫兹辐射在现有和新的应用领域(从医学成像到无线通信)的大规模使用可能是一个福音
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