硅因其独特的立方晶格结构，被广泛应用在微电子行业半个多世纪。然而，立方硅(Si)、锗(Ge)和SiGe合金都是不能有效发光的间接带隙半导体，在硅技术中实现第ⅣA元素材料高效发光的目标几十年来一直难以实现。
2020年4月8日，荷兰埃因霍温科技大学Erik P. A. M. Bakkers领导的研究小组在世界顶级期刊《Nature》发表名为“Direct-bandgap emission fromhexagonal Ge and SiGe alloys”的研究文章，开发了一种可以发光的六方晶型硅锗合金，破解了硅吸/发光效率低下，从而无法拓展应用到光子学领域的难题。
研究预览
该团队证明了直接带隙六角形锗和硅锗合金具有高效的光发射效率，而且还测量了亚纳秒、温度不敏感的辐射复合寿命，并观察了与直带隙第三-五主族半导体相似的发射率。更为重要的是通过控制六方SiGe合金的成分，发射波长可以在很宽的范围内连续调谐，同时保持直接带隙。实验结果与第一性原理的计算结果有很好的一致性。六角形SiGe是一种一种理想的材料系统，在这种系统中，电子和光电功能可以在一个芯片上实现，从而为集成设备概念和信息处理技术开辟了道路。
同一天，瑞士半导体材料研究所的Anna Fontcuberta i Morral在《Nature》发表名为“Nanostructured alloys light the way to silicon-based photonics”的评论文章，指出广泛用于微电子设备的硅因为发光效率较低，而不能应用于光子学中，而Erik P. A. M. Bakkers领导的研究小组提出了一种新的解决方案。
硅芯片的技术瓶颈
众所周知，硅芯片是通过电子传输数据和信息。在电子的移动过程中，有电阻存在必然产生大量的热量，能源使用效率降低。同时随着信息社会的发展，每天有大量的信息即数据产生，对现有的硅芯片技术提出了更高的要求，即减少热量散失和提高数据的传输效率。光子传输数据的想法应运而生，具有无电阻、不发热、无能量散失等优势。
用于电子行业的硅芯片是立方晶型，是一种间接带隙半导体，而光子传输所需材料应该是直接带隙半导体材料。举例来说，如果要吸收相同量的光，基于硅的太阳能电池必须比基于砷化镓（可有效吸收和发射光的直接带隙半导体）的太阳能电池至少要厚100倍，而且其光电效率也低很多。科学家经过数十年的研究，希望将间接带隙的硅改性变成直接带隙的硅，甚至通过不同的改性方式修改硅的电子能带结构，将硅和含硅合作改性为光电子级材料。
前人的努力
本文中提到的区域折叠策略最早于上世纪70年代提出，即在一个间接性带隙半导体的周期性电势的存在可以把它转变成一个直接带隙半导体。直到1992年，有科学家基于特殊类型的硅获得了具有伪直接带隙半导体的超晶格锗合金（与间接带隙半导体相比，其吸收和发射光的效率更高，但仍然低于直接带隙半导体的吸收和发光效率）。该学者通过交替组装由不同原子组成的原子层来实现的，但所得材料仍无法充分有效地吸/发光。
本文的亮点
在前人的基础上，Erik P. A. M. Bakkers团队采用了一种全新的方法——交替使用锗和硅锗合金的原子堆叠方式，从而将材料的晶格从立方形状转变为六角形状。
硅的立方和六方晶格。A是电子芯片中的立方晶型的硅；b是六方晶型的锗和硅锗合金
六边形晶格的晶胞（最小的重复单元）包含的原子是立方晶胞的两倍。这将布里渊区的大小减半了。布里渊区是抽象的“动量空间”的晶胞，用于描述半导体中电子的特性。这种尺寸减小又导致材料的电子带在动量空间中折叠，将导带的能量值最小的位置移动到布里渊区的中心，从而产生直接带隙。Erik P. A. M. Bakkers团队采用模拟计算的方法确定了六方形晶体结构中锗和硅锗合金的精确能带结构，从而确认了这些材料具有直接带隙。
更为重要的是，该团队通过实验证实了六方形锗是直接带隙半导体材料。而且通过将六方形锗与不同量的硅合金化，可以将材料发出的光子能量从0.3 eV提高到了0.67eV。其中光子能量与化学传感和光通信技术紧密相关。
未来展望
ErikP. A. M. Bakkers团队的这项发现可能会导致首个硅基激光器的诞生，或被用于制造中红外光探测器。此类中红外探测器可以用于激光雷达平台，这是一种基于激光的测量技术，可被自动驾驶车辆用来检测周边物体。毫不夸张的说，具有光电功能的硅基合金的发展可能引发硅技术的第二次革命。
参考文献
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
