硅因其獨特的立方晶格結構，被廣泛應用在微電子行業半個多世紀。然而，立方硅(Si)、鍺(Ge)和SiGe合金都是不能有效發光的間接帶隙半導體，在硅技術中實現第ⅣA元素材料高效發光的目標幾十年來一直難以實現。
2020年4月8日，荷蘭埃因霍溫科技大學Erik P. A. M. Bakkers領導的研究小組在世界頂級期刊《Nature》發表名為“Direct-bandgap emission fromhexagonal Ge and SiGe alloys”的研究文章，開發了一種可以發光的六方晶型硅鍺合金，破解了硅吸/發光效率低下，從而無法拓展應用到光子學領域的難題。
研究預覽
該團隊證明了直接帶隙六角形鍺和硅鍺合金具有高效的光發射效率，而且還測量了亞納秒、溫度不敏感的輻射覆合壽命，並觀察了與直帶隙第三-五主族半導體相似的發射率。更為重要的是通過控制六方SiGe合金的成分，發射波長可以在很寬的範圍內連續調諧，同時保持直接帶隙。實驗結果與第一性原理的計算結果有很好的一致性。六角形SiGe是一種一種理想的材料系統，在這種系統中，電子和光電功能可以在一個芯片上實現，從而為集成設備概念和信息處理技術開闢了道路。
同一天，瑞士半導體材料研究所的Anna Fontcuberta i Morral在《Nature》發表名為“Nanostructured alloys light the way to silicon-based photonics”的評論文章，指出廣泛用於微電子設備的硅因為發光效率較低，而不能應用於光子學中，而Erik P. A. M. Bakkers領導的研究小組提出了一種新的解決方案。
硅芯片的技術瓶頸
眾所周知，硅芯片是通過電子傳輸數據和信息。在電子的移動過程中，有電阻存在必然產生大量的熱量，能源使用效率降低。同時隨著信息社會的發展，每天有大量的信息即數據產生，對現有的硅芯片技術提出了更高的要求，即減少熱量散失和提高數據的傳輸效率。光子傳輸數據的想法應運而生，具有無電阻、不發熱、無能量散失等優勢。
用於電子行業的硅芯片是立方晶型，是一種間接帶隙半導體，而光子傳輸所需材料應該是直接帶隙半導體材料。舉例來說，如果要吸收相同量的光，基於硅的太陽能電池必須比基於砷化鎵（可有效吸收和發射光的直接帶隙半導體）的太陽能電池至少要厚100倍，而且其光電效率也低很多。科學家經過數十年的研究，希望將間接帶隙的硅改性變成直接帶隙的硅，甚至通過不同的改性方式修改硅的電子能帶結構，將硅和含硅合作改性為光電子級材料。
前人的努力
本文中提到的區域摺疊策略最早於上世紀70年代提出，即在一個間接性帶隙半導體的週期性電勢的存在可以把它轉變成一個直接帶隙半導體。直到1992年，有科學家基於特殊類型的硅獲得了具有偽直接帶隙半導體的超晶格鍺合金（與間接帶隙半導體相比，其吸收和發射光的效率更高，但仍然低於直接帶隙半導體的吸收和發光效率）。該學者通過交替組裝由不同原子組成的原子層來實現的，但所得材料仍無法充分有效地吸/發光。
本文的亮點
在前人的基礎上，Erik P. A. M. Bakkers團隊採用了一種全新的方法——交替使用鍺和硅鍺合金的原子堆疊方式，從而將材料的晶格從立方形狀轉變為六角形狀。
硅的立方和六方晶格。A是電子芯片中的立方晶型的硅；b是六方晶型的鍺和硅鍺合金
六邊形晶格的晶胞（最小的重複單元）包含的原子是立方晶胞的兩倍。這將布里淵區的大小減半了。布里淵區是抽象的“動量空間”的晶胞，用於描述半導體中電子的特性。這種尺寸減小又導致材料的電子帶在動量空間中摺疊，將導帶的能量值最小的位置移動到布里淵區的中心，從而產生直接帶隙。Erik P. A. M. Bakkers團隊採用模擬計算的方法確定了六方形晶體結構中鍺和硅鍺合金的精確能帶結構，從而確認了這些材料具有直接帶隙。
更為重要的是，該團隊通過實驗證實了六方形鍺是直接帶隙半導體材料。而且通過將六方形鍺與不同量的硅合金化，可以將材料發出的光子能量從0.3 eV提高到了0.67eV。其中光子能量與化學傳感和光通信技術緊密相關。
未來展望
ErikP. A. M. Bakkers團隊的這項發現可能會導致首個硅基激光器的誕生，或被用於製造中紅外光探測器。此類中紅外探測器可以用於激光雷達平臺，這是一種基於激光的測量技術，可被自動駕駛車輛用來檢測周邊物體。毫不誇張的說，具有光電功能的硅基合金的發展可能引發硅技術的第二次革命。
參考文獻
1、Fadaly,E.M.T., Dijkstra, A., Suckert, J.R. et al. Direct-bandgap emissionfrom hexagonal Ge and SiGe alloys. Nature 580, 205–209 (2020).https://doi.org/10.1038/s41586-020-2150-y
2、Anna Fontcuberta i Morral. Nanostructured alloys light the way to silicon-basedphotonics. Nature 580,188-189 (2020). doi: 10.1038/d41586-020-00976-8
