科研極限 步步突破-科學人雜誌
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科研極限 步步突破

2012/10/01
人類可以更長壽、更聰明、悠遊網路世界,透視生命奧秘,探索原子世界與浩瀚宇宙,全來自科學研究的創新發明。《科學人》精選了近年來台灣10項具突破性的科學研究,讓我們一同超越極限吧!
電漿子奈米雷射
撰文/郭雅欣

半導體雷射元件尺寸的微型化是這個產業必然的趨勢,但長期以來受制於光學繞射的限制——要能得到雷射所需的回饋機制,光共振腔必須有至少光波長的長度,與現今只有幾十奈米的電晶體尺寸差距不小。

清華大學物理系果尚志帶領的國際團隊開發出一種可突破繞射極限的新型奈米半導體雷射,以電漿子共振腔取代傳統的光學共振腔,成功將雷射元件體積縮小到奈米尺度。

果尚志採用的是「金屬–氧化物–半導體」(MOS)奈米結構,先在矽基板上磊晶成長一層銀膜,並在銀膜上方鍍一層僅五奈米厚的二氧化矽做為介電材料,最後堆疊上氮化銦鎵半導體奈米結構做為雷射的增益介質,由於材料皆具有極高品質的結晶特性,因而成功做出了全球最小的半導體雷射。

這種新結構的回饋機制,是利用銀表面自由電子密度的集體震盪及其量子化產生的準粒子「表面電漿子」。由於銀的表面電漿子共振頻率在可見光波段,當氮化銦鎵受激發出可見光時,兩者間會形成光子與電漿子的耦合態,構成回饋機制,並將電磁波能量有效地局限在中間的二氧化矽介電層內。因此,二氧化矽夾層扮演著電漿子共振腔的角色,不但不受光繞射的限制,而且在奈米尺度下耦合共振效果更好。

然而這類電漿子共振腔結構一直以來的瓶頸,就是表面粗糙及多晶結構的銀膜會導致嚴重的電漿子散射與損耗,使得元件尺寸一旦縮得很小,就無法得到有效的增益。果尚志與美國德州大學奧斯丁分校的施至剛合作,利用新穎的量子磊晶方法成長原子級平坦的單晶銀膜,大幅降低了電漿子的能量耗損;並結合了果尚志研究團隊分子束磊晶技術成長的增益介質,將此具有極高光增益係數的半導體增益介質,搭配上低損耗的電漿子共振腔,實現了尺寸可比擬電晶體的半導體奈米雷射。

電漿子奈米雷射和電晶體同為MOS結構,光元件尺寸一旦縮小到與電晶體相仿,就可在矽晶片上與電晶體結合。願景則是將此雷射運用於光運算系統,取代目前的電運算,發揮光運算高速、寬頻、低功耗等優勢。電漿子奈米雷射的誕生,可說是往此目標邁出了重要的一步。


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