半导体所在硅量子点发光机制研究取得重要成果

延续了半个多世纪的摩尔定律预计将在2020年左右失效，硅基光电集成技术有望接替微电子成为未来信息技术的基石，但硅基光电子集成技术的实用化面临缺少硅基片上光源这一最后障碍。因此，硅基片上光源是当前半导体技术皇冠上的明珠，其研制成功将引领整个硅基光电子集成技术的重大变革。硅光电集成技术处于前沿探索阶段的半导体量子计算芯片的核心地位，可为集成在同一个芯片上的量子器件与光电器件提供信息交换和通信。

国际上，已提出硅量子点、硅锗超晶格、锗锡合金、应变锗、III-V族与硅的混合集成、稀土元素掺杂、硅同素异晶体等硅基片上光源方案，但迄今还没有可用于硅光电集成技术的实用化光源。硅量子点在1988年被制备出后，得到广泛研究，成为实现硅发光的有力候选者，但硅量子点的发光机制及是否高效发光存在争议。2010年，荷兰阿姆斯特丹大学教授Gregorkiewicz研究组发表在Nature Nano的论文，发现高能热PL峰随硅量子点的变小在能量上发生反常的显著红移，而基态PL峰跟预期的一样在量子束缚效应作用下发生蓝移，这个高能PL峰来自硅的Г-Г直接带隙跃迁。如果这一结论成立，那么，由此外推可以发现当硅量子点缩小到2纳米以下后可以实现由间接带隙到直接带隙的转变，从而实现硅量子点直接带隙发光，论文一经发表后立即引起广泛关注和跟进研究。

中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室研究员骆军委，使用现代纳米计算技术模拟真实的硅量子点，计算得到的吸收和发光光谱与最新发展的单量子点光谱技术得到的硅量子点光谱非常吻合，在系统分析了硅量子点电子结构随量子点大小变化后，发现处于高能硅直接带隙跃迁并没有随硅量子点的变小而显著发生红移，并最终导致硅量子点成为直接带隙发光，这推翻了Gregorkiewicz研究组认为的硅量子点可以成为直接带隙发光的发现，该研究将在全球范围内及时制止在该硅基发光方向进行无谓的研究。

研究成果近日在线发表在Nature Nanotechnology上，研究工作得到了国家自然科学基金委、中组部青年千人计划的支持。

a,根据Gregorkiewicz研究组的实验数据，硅量子点间接带隙基态PL带和高能直接带隙PL带随量子点直径大小改变的变化。b,对于直径3纳米硅量子点，我们在温度为70K测得的单量子发光谱和吸收谱与理论计算结果的比较。c,Gregorkiewicz研究组的实验数据指出随量子点减小直接带隙在能量上迅速红移（光谱上的红移是指光子能量变小，光子波长变长），而我们的理论结果指出随硅量子点变小，直接带隙没有发生显著红移，而是有一点蓝移。