Original publish date:Jan 23, 2003
編輯 Agape 報導
美國科學家製造出平均直徑只有一百奈米的半導體奈米線雷射。
半導體雷射是目前光纖通訊系統中﹐不可或缺的主動元件之一。而如何將其與以矽晶片製成的電子元件整合﹐組成多功能的光電積體電路﹐則一直是科學家們所努力的方向。曾經由Sciscape報導過在半導體奈米線磊晶技術上有傑出成就﹐哈佛大學的Charles Leiber與其研究小組﹐在這個方向上﹐又有了新的突破。
他們利用與合成碳奈米管類似的方式﹐合成直徑在80-200nm ﹑具wurtzite晶體結構(為兩個面心(face-centered)結構的晶格在沿對角線方向﹐平移四分之一單位晶格﹐如砷化鎵)的CdS奈米線。根據他們的計算﹐奈米線應可作為單模(single-mode)光波導來使用(類似於傳統光纖)。而要作為光波導﹐奈米線的兩端必須十分平滑。Lieber的研究小組﹐以液相超音波處理的方式﹐可以達到成功率50%﹑兩端平滑的奈米線。他們將雷射照射在如此製成的奈米線上﹐結果觀察到Febry-Perot共振腔的干涉條紋﹐證實了他們的假設﹕奈米線波導。除此之外﹐奈米線的發光強度﹐會隨著雷射的激發功率大小而有所變化﹐甚至可達到自發性激發的放大(amplified spontaneous emission) ﹐其頻譜也出現具雷射特徵的曲線。
接著﹐Lieber等人進一步想要測驗以奈米線作為主動元件﹑亦即雷射﹐的發光特性。由於半導體雷射的發光﹐是藉著通電流多餘的電子﹑電洞對﹐注入可產生雷射的區域(可視為一p-n junction)﹐經由其互相再結合(recombination) 產生光子。為了製造這樣的元件結構﹐他們將n-type的CdS奈米線合成在p-type的Si上﹐如此就形成了一可以產生雷射的p-n junction。在所量到的電流-電壓曲線中﹐CdS/Si的p-n junction的導通電壓約為2-5V﹐與單一CdS奈米線的大致2V符合。至於增加達3V的導通電壓﹐他們認為是CdS-Si異質介面與所使用電極所造成的結果。然後﹐他們將這CdS/Si通以電流﹐觀察從CdS奈米線末端所發出的光強度。他們在電流達80uA時﹐清楚地觀察到由CdS奈米線所發出的雷射光。注入電流達280uA時﹐他們更觀察到與傳統半導體雷射類似的頻譜。
Charles Leiber與其研究小組的奈米線雷射﹐因著是由單晶成長而幾乎沒有缺陷﹐在材料純度上較傳統磊晶半導體雷射優越。此外﹐傳統半導體雷射的平面結構﹐在製造及與其它電子元件整合上﹐亦有基本上的限制。然而﹐如此製成的雷射﹐仍然有其限制。例如﹐CdS奈米線與p-type Si間的介面不是完全平滑﹐造成多餘載子注入的不均勻﹐因而影響到雷射的效率。儘管如此﹐Charles Leiber與其研究小組﹐依然對其研究成果未來的發展與應用﹐十分樂觀。他們認為在技術上還有很大的改進空間﹐而且可以將這項技術應用到合成以GaN(藍光)或InP(紅光/紅外光)為材料的奈米線雷射上。對於有興趣追蹤Charles Leiber與其研究小組在這方面研究成果的讀者們﹐他們下一步又會有什麼新的發現﹐就讓我們拭目以待。
原始論文：
Duan et al., Single-nanowire electrically driven lasers, Nature 421, 241 (2003)
參考來源：
- Nature: Single-nanowire electrically driven lasers
- Nature Science update: Lasers slim enough for chips
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