Исследователи создали кремниевый элемент, излучающий свет в видимом диапазоне
Сейчас в фотонных устройствах используют источники света на основе
полупроводников III - V группы, таких как арсенид галлия и фосфид индия,
что вызывает массу технологических проблем, обусловленных
несовместимостью различных материалов. Использование же кремниевых
источников света позволит изготавливать фотонные устройства с
применением традиционной CMOS-технологии производства полупроводников,
отточенной до совершенства за время многолетнего ее использования.
Теперь, благодаря усилиям команды ученых-материаловедов из университета
Пенсильвании (University of Pennsylvania, UPenn), появился первый в мире
кремниевый источник света, который открывает огромные перспективы в
области создания фотонно-электронных устройств. "Это является первой
демонстрацией оптического кремниевого прибора, излучающего свет в
видимом диапазоне" - рассказывает Ритеш Агаруол (Ritesh Agarwal), глава
исследовательской группы Nanoscale Phase-Change and Photonics
университета Пенсильвании.
Одной из основных проблем при создании кремниевых источников света
является то, что кремний принципиально не желате излучать свет. В
отличие от арсенида галлия или фосфида индия, у кремния имеется некая
запрещенная зона, означающая, что при "встрече" возбужденного электрона и
электронной дырки, во время их "аннигиляции" излишки энергии будут
выделены не в виде фотона света, а в виде тепловой энергии.
Для преодоления вышеуказанной проблемы исследовательская группа обратила
внимание на плазмонные эффекты. Свет, падающий на поверхность металла в
месте его контакта с диэлектриком, таким как диоксид кремния, создает
так называемые поверхностные плазмоны, электромагнитные колебания,
создаваемые колебаниями свободных электронов, которые могут сдвинуть
область запрещенной зоны в нужную сторону. Для создания плазмонного
эффекта исследователи покрыли кремниевые нанопроводники 5-нанометровым
слоем диоксида кремния и укрепили образовавшуюся структуру на стеклянном
основании. После этого на основание и на кремниевый нанопроводник был
нанесен 100-нанометровый слой серебра. Серебро покрыло весь
нанопроводник за исключением места его контакта со стеклянным
основанием, формируя покрытие, которое в сечении напоминает греческую
букву омега. Область контакта серебра и диоксида кремния стала областью,
выступала в роли своего рода усилителя света.
После этого исследователи сфокусировали на нанопроводнике свет синего
лазера с длиной волны 458 нанометров и измерили длину волны света,
выходящего с торцов нанопроводника. Плазмонный эффект вынудил
возбужденные электроны кремния, сталкиваясь с электронными дырками,
испускать фотоны света вместо того, чтобы выделять энергию в виде тепла.
Длина волны излучаемого при этом света лежала в диапазоне от 470 до 700
нанометров.
Данная разработка находится еще на самой ранней стадии и исследователям
придется проделать массу работы для того, чтобы сделать возможным ее
практическое применение. В первую очередь им потребуется увеличить
эффективность работы до 5-10 процентов, вместо того 1 процента, который
демонстрирует первый образец кремниевого светоизлучающего устройства.
Помимо этого, кремниевое устройство излучает рассеянный свет достаточно
широкого спектра, но исследователи надеются в недалеком будущем на
основе разработанных принципов создать кремниевый полупроводниковый
лазер, который будет излучать монохроматический и когерентный свет,
используя в качестве накачки электрический ток, а не свет от другого
лазера.
