半导体纳米结构电光开关与逻辑器件

新一代光电芯片将光子作为信息载体,具有能耗低、速度快、带宽大等优势,有望突破传统电子器件尺寸持续缩小所面临的功耗及带宽瓶颈,满足社会飞速增长的信息需求。在单个微纳光电器件(例如光源、光波导、光探测)的基础上进行片上集成是面向新型光电芯片的重要步骤。其中高性能纳米尺度光开关和光调制器件的实现是系统集成的关键。与硅基光电器件相比,直接带隙低维半导体纳米结构(纳米线,纳米带)具有高的发光效率和强的光与物质相互相互作用,是构建微纳尺度光调制、光开关器件的理想材料。然而,之前报道的纳米结构电光开关基于传统的半导体带边电光吸收调制机制,存在高的调制电压,较低的调制深度及有限的调制波长范围等问题。因此,发现新的调控机理,实现高性能纳米尺度光调制、光开关器件是低维半导体光电器件集成中亟待解决的重要问题。

近期,湖南大学集成光子材料与器件研究团队潘安练教授、王笑教授提出基于声子辅助的电场调控光学跃迁方法,在微纳尺度半导体电光开关与光逻辑器件方面取得了重大进展。研究团队一方面利用CdS纳米带中声子参与的光学跃迁上转换过程,拓展了跃迁吸收边调制的波长范围,获得更宽的器件工作波长;另一方面通过电场调控CdS纳米带中的吸收带尾态,有效共振增强了单个或多个声子的吸收效率,在低的工作电场下获得更大的调制深度。基于此,研究团队实现了低电压,宽带,超高开关比的纳米尺度电光开关(图1a),并进一步在多纳米结构集成器件中实现非门、与非、或非等逻辑功能(图1b)。这些半导体纳米结构光开关和光逻辑器件的实现为低维半导体光电器件的片上集成打下了重要基础。

相关工作以“Phonon-Assisted Electro-Optical Switches and Logic Gates Based on Semiconductor Nanostructures”为题,发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201901263)上,单正平博士和胡学鹿博士为论文共同第一作者。