半导体材料在纳米光子学中的作用

赵敏 2023-05-18

半导体材料在开发纳米光子技术方面发挥着重要作用。

过去半个世纪以来，主导世界的数字革命的支柱是基于半导体的特性，半导体展示了独特的电气特性，可以操纵这些特性来执行计算和数据处理所需的许多任务。电子的流动——电流——在半导体中的表现与在金属中的表现不同。

半导体还展现出独特的光学特性，可用于各种有影响力的应用。光是由光子产生的。通过操纵和控制光子而开发的技术被称为光子学，光子学的一个专门分支称为纳米光子学或纳米光学，研究光在纳米尺度上的行为方式以及纳米尺寸的物体如何与光相互作用。

半导体的特性

半导体被定义为具有介于绝缘体和导体之间的导电特性的材料。元素硅 (Si)、锗 (Ge) 和铟 (In) 是半导体的几个例子。

半导体分为本征半导体和非本征半导体。像上面的例子一样，没有杂质的化学纯半导体被称为本征半导体。对于本征半导体，而不是杂质，材料本身的特性控制存在多少电子和空穴。电子是带负电的基本电荷载流子，空穴是半导体中带正电的空位。激发电子的数量等于本征半导体中空穴的数量。

通过添加某些杂质可以改变非本征半导体的电学和光学特性。掺杂剂会改变质子或电子的数量以满足特定要求。这些合金半导体也称为化合物半导体，适用于电气和光电应用。非本征半导体的一些示例是氮化镓 (GaN)、磷化铟 (InP) 和砷化镓 (GaAs)。这种非本征半导体已成为构建光子限制器件（如波导）的重要材料。波导已被证明可以有效地传输纠缠光子，用于量子信息科学中的应用。

半导体的内部结构和光学性质

晶格和半导体的电子特性赋予它们光学特性，晶格离子晶体中的振动决定了半导体的光学晶格特性，由于光和光学声子之间的相互作用——晶格中的振动——它们表现出显著的红外吸收和反射。

半导体的电子态是光电特性的重点，半导体的能带是其电子状态，价带和导带是半导体中的主要能态，可用于创造创新的纳米光子学技术。

半导体的电子占据的最外层能级称为价带，通过施加适当的能量，价带轨道中的电子被激发到导带中。

当暴露于足够的能量时，价带电子可以被激发到构成导带的电子轨道，导带中的电子可以在半导体内部自由流动。在这里，当电子离开导带的价带时，会形成一个空穴，此外，带正电的空穴也可以在材料内部自由移动。

当受到光子的刺激时，半导体电子在两个能级之间切换，原子中的光学跃迁与这种现象相当，带间跃迁发生在导带和价带之间，在这两个带之间的区域，存在吸收、受激发射和自发发射的潜力。

当光子被半导体吸收时，会导致光吸收，光子能量必须等于或大于带隙能量才能发生吸收，价态和传导能级之间的能量差称为带隙能，通过吸收在价带和导带中产生电子和空穴。

半导体能带结构示意图

导带上的最低能级将被产生的能量高于带隙的电子快速填充，此外，在价带中产生的空穴将上升到价带的顶部，如上图所示，带内跃迁是电子在导带或价带内发生变化的能级，纳米光子学极大地受益于利用带内跃迁开发的技术。

半导体也表现出自发和受激发射，当电子从传导能级跃迁回价带时，会发生自发发射（也称为光学复合），并在此过程中产生光子。在自然和随机发生的自发发射过程中，没有与任何额外光子的相互作用，采用额外的光泵来在两个能级之间传输电子。

随着键合半导体材料的原子级薄层的发展，纳米光子学出现了新的可能性，半导体过渡金属二硫化物 (TMD) 就是其中之一，这些材料已被证明在单层极限内具有直接带隙，这使它们成为光子学和光电子学应用的理想选择。

单层 TMD 由夹在两层不同类型原子之间的一层特定原子组成，这些二维材料不仅可以替代传统电子或光子器件中的 Si 或 GaAs 等传统材料，而且还具有独特的物理特性，如自旋谷物理学，目前正在研究“谷电子学”和相干量子比特，此外，异质结构不受相邻层之间晶格失配的限制，就像传统半导体的情况一样，可以通过堆叠各种二维晶体的各个层来创建，这使得以多种方式设计具有特定特性的纳米光子学成为可能。

展望

半导体材料的多功能性为光采集、传感、量子技术、光开关和生物诊断等领域的许多纳米光子学应用创造了新的机会。纳米光子结构是即将到来的经济前沿的催化剂，并且定位为量子革命的基石，因为它以前是数字时代的基础。

责任编辑：展源

审　　核：何发

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