半導體材料在納米光子學(xué)中的作用

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

過(guò)去半個(gè)世紀以來(lái)，主導世界的數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(lái)執行計算和數據處理所需的許多任務(wù)。電子的流動(dòng)——電流——在半導體中的表現與在金屬中的表現不同。

半導體還展現出獨特的光學(xué)特性，可用于各種有影響力的應用。光是由光子產(chǎn)生的。通過(guò)操縱和控制光子而開(kāi)發(fā)的技術(shù)被稱(chēng)為光子學(xué)，光子學(xué)的一個(gè)專(zhuān)門(mén)分支稱(chēng)為納米光子學(xué)或納米光學(xué)，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(gè)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(méi)有雜質(zhì)的化學(xué)純半導體被稱(chēng)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)電子的數量等于本征半導體中空穴的數量。

通過(guò)添加某些雜質(zhì)可以改變非本征半導體的電學(xué)和光學(xué)特性。摻雜劑會(huì )改變質(zhì)子或電子的數量以滿(mǎn)足特定要求。這些合金半導體也稱(chēng)為化合物半導體，適用于電氣和光電應用。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(xué)中的應用。

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

半導體的電子態(tài)是光電特性的重點(diǎn)，半導體的能帶是其電子狀態(tài)，價(jià)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(xué)技術(shù)。

半導體的電子占據的最外層能級稱(chēng)為價(jià)帶，通過(guò)施加適當的能量，價(jià)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(shí)，價(jià)帶電子可以被激發(fā)到構成導帶的電子軌道，導帶中的電子可以在半導體內部自由流動(dòng)。在這里，當電子離開(kāi)導帶的價(jià)帶時(shí)，會(huì )形成一個(gè)空穴，此外，帶正電的空穴也可以在材料內部自由移動(dòng)。

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

當光子被半導體吸收時(shí)，會(huì )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(jià)態(tài)和傳導能級之間的能量差稱(chēng)為帶隙能，通過(guò)吸收在價(jià)帶和導帶中產(chǎn)生電子和空穴。

半導體能帶結構示意圖

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(jià)帶中產(chǎn)生的空穴將上升到價(jià)帶的頂部，如上圖所示，帶內躍遷是電子在導帶或價(jià)帶內發(fā)生變化的能級，納米光子學(xué)極大地受益于利用帶內躍遷開(kāi)發(fā)的技術(shù)。

半導體也表現出自發(fā)和受激****，當電子從傳導能級躍遷回價(jià)帶時(shí)，會(huì )發(fā)生自發(fā)****（也稱(chēng)為光學(xué)復合），并在此過(guò)程中產(chǎn)生光子。在自然和隨機發(fā)生的自發(fā)****過(guò)程中，沒(méi)有與任何額外光子的相互作用，采用額外的光泵來(lái)在兩個(gè)能級之間傳輸電子。 

隨著(zhù)鍵合半導體材料的原子級薄層的發(fā)展，納米光子學(xué)出現了新的可能性，半導體過(guò)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具有直接帶隙，這使它們成為光子學(xué)和光電子學(xué)應用的理想選擇。

單層 TMD 由夾在兩層不同類(lèi)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電子或光子器件中的 Si 或 GaAs 等傳統材料，而且還具有獨特的物理特性，如自旋谷物理學(xué)，目前正在研究“谷電子學(xué)”和相干量子比特，此外，異質(zhì)結構不受相鄰層之間晶格失配的限制，就像傳統半導體的情況一樣，可以通過(guò)堆疊各種二維晶體的各個(gè)層來(lái)創(chuàng )建，這使得以多種方式設計具有特定特性的納米光子學(xué)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(kāi)關(guān)和生物診斷等領(lǐng)域的許多納米光子學(xué)應用創(chuàng )造了新的機會(huì )。納米光子結構是即將到來(lái)的經(jīng)濟前沿的催化劑，并且定位為量子革命的基石，因為它以前是數字時(shí)代的基礎。