半導體材料在納米光子學中的作用

來源：本文由半導體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID:ICVIEWS）編譯自azonano

過去半個世紀以來，主導世界的數(shù)字革命的支柱是基于半導體的特性，半導體展示了獨特的電氣特性，可以操縱這些特性來執(zhí)行計算和數(shù)據(jù)處理所需的許多任務(wù)。電子的流動——電流——在半導體中的表現(xiàn)與在金屬中的表現(xiàn)不同。

半導體還展現(xiàn)出獨特的光學特性，可用于各種有影響力的應(yīng)用。光是由光子產(chǎn)生的。通過操縱和控制光子而開發(fā)的技術(shù)被稱為光子學，光子學的一個專門分支稱為納米光子學或納米光學，研究光在納米尺度上的行為方式以及納米尺寸的物體如何與光相互作用。

半導體被定義為具有介于絕緣體和導體之間的導電特性的材料。元素硅 (Si)、鍺 (Ge) 和銦 (In) 是半導體的幾個例子。

半導體分為本征半導體和非本征半導體。像上面的例子一樣，沒有雜質(zhì)的化學純半導體被稱為本征半導體。對于本征半導體，而不是雜質(zhì)，材料本身的特性控制存在多少電子和空穴。電子是帶負電的基本電荷載流子，空穴是半導體中帶正電的空位。激發(fā)電子的數(shù)量等于本征半導體中空穴的數(shù)量。

通過添加某些雜質(zhì)可以改變非本征半導體的電學和光學特性。摻雜劑會改變質(zhì)子或電子的數(shù)量以滿足特定要求。這些合金半導體也稱為化合物半導體，適用于電氣和光電應(yīng)用。非本征半導體的一些示例是氮化鎵 (GaN)、磷化銦 (InP) 和砷化鎵 (GaAs)。這種非本征半導體已成為構(gòu)建光子限制器件（如波導）的重要材料。波導已被證明可以有效地傳輸糾纏光子，用于量子信息科學中的應(yīng)用。

晶格和半導體的電子特性賦予它們光學特性，晶格離子晶體中的振動決定了半導體的光學晶格特性，由于光和光學聲子之間的相互作用——晶格中的振動——它們表現(xiàn)出顯著的紅外吸收和反射。   

半導體的電子態(tài)是光電特性的重點，半導體的能帶是其電子狀態(tài)，價帶和導帶是半導體中的主要能態(tài)，可用于創(chuàng)造創(chuàng)新的納米光子學技術(shù)。

半導體的電子占據(jù)的最外層能級稱為價帶，通過施加適當?shù)哪芰?，價帶軌道中的電子被激發(fā)到導帶中。

當暴露于足夠的能量時，價帶電子可以被激發(fā)到構(gòu)成導帶的電子軌道，導帶中的電子可以在半導體內(nèi)部自由流動。在這里，當電子離開導帶的價帶時，會形成一個空穴，此外，帶正電的空穴也可以在材料內(nèi)部自由移動。

當受到光子的刺激時，半導體電子在兩個能級之間切換，原子中的光學躍遷與這種現(xiàn)象相當，帶間躍遷發(fā)生在導帶和價帶之間，在這兩個帶之間的區(qū)域，存在吸收、受激****和自發(fā)****的潛力。

當光子被半導體吸收時，會導致光吸收，光子能量必須等于或大于帶隙能量才能發(fā)生吸收，價態(tài)和傳導能級之間的能量差稱為帶隙能，通過吸收在價帶和導帶中產(chǎn)生電子和空穴。

半導體能帶結(jié)構(gòu)示意圖

導帶上的最低能級將被產(chǎn)生的能量高于帶隙的電子快速填充，此外，在價帶中產(chǎn)生的空穴將上升到價帶的頂部，如上圖所示，帶內(nèi)躍遷是電子在導帶或價帶內(nèi)發(fā)生變化的能級，納米光子學極大地受益于利用帶內(nèi)躍遷開發(fā)的技術(shù)。

半導體也表現(xiàn)出自發(fā)和受激****，當電子從傳導能級躍遷回價帶時，會發(fā)生自發(fā)****（也稱為光學復合），并在此過程中產(chǎn)生光子。在自然和隨機發(fā)生的自發(fā)****過程中，沒有與任何額外光子的相互作用，采用額外的光泵來在兩個能級之間傳輸電子。 

隨著鍵合半導體材料的原子級薄層的發(fā)展，納米光子學出現(xiàn)了新的可能性，半導體過渡金屬二硫化物 (TMD) 就是其中之一，這些材料已被證明在單層極限內(nèi)具有直接帶隙，這使它們成為光子學和光電子學應(yīng)用的理想選擇。

單層 TMD 由夾在兩層不同類型原子之間的一層特定原子組成，這些二維材料不僅可以替代傳統(tǒng)電子或光子器件中的 Si 或 GaAs 等傳統(tǒng)材料，而且還具有獨特的物理特性，如自旋谷物理學，目前正在研究“谷電子學”和相干量子比特，此外，異質(zhì)結(jié)構(gòu)不受相鄰層之間晶格失配的限制，就像傳統(tǒng)半導體的情況一樣，可以通過堆疊各種二維晶體的各個層來創(chuàng)建，這使得以多種方式設(shè)計具有特定特性的納米光子學成為可能。

半導體材料的多功能性為光采集、傳感、量子技術(shù)、光開關(guān)和生物診斷等領(lǐng)域的許多納米光子學應(yīng)用創(chuàng)造了新的機會。納米光子結(jié)構(gòu)是即將到來的經(jīng)濟前沿的催化劑，并且定位為量子革命的基石，因為它以前是數(shù)字時代的基礎(chǔ)。