表面等離子體“發(fā)光真空管”技術(shù)

　　美國(guó)風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)應(yīng)用等離子公司（Applied Plasmon）日前開發(fā)出了尺寸不足10μm的可發(fā)光微小真空管。利用電子與電磁波共振的表面等離子體現(xiàn)象而實(shí)現(xiàn)。本公司最初設(shè)想作為可集成于IC的發(fā)光元件應(yīng)用于芯片間的光布線和服務(wù)器通信。

在數(shù)十THz以上超高速下工作

　　盡管外形尺寸和發(fā)光原理不同，但這種發(fā)光元件的結(jié)構(gòu)卻與向水銀氣體照射電子束使之發(fā)光的熒光燈十分類似。具體來(lái)說(shuō)，就是在內(nèi)部呈真空狀態(tài)的微細(xì)封裝中配備稱為“納米天線”的元件，由陰極向它放射能量約20keV的電子束使之發(fā)光（圖1）。

　　納米天線利用光刻技術(shù)按一定間隔在硅芯片表面上形成多列突起，并利用電場(chǎng)電鍍法鍍上一層銀（圖2）。據(jù)應(yīng)用等離子公司表示，只要向它照射電子束，在銀和硅的交界處就會(huì)產(chǎn)生電子壓縮波（表面等離子體），由此即可放射電磁波（圖2）。

　　不過(guò)，與過(guò)去的真空管和熒光燈不同的是，此次的發(fā)光元件非常小，“比如，封裝的外形尺寸只有10μm×10μm×0.5μm”（該公司市場(chǎng)開發(fā)經(jīng)理、副總裁Henry Davis），而且可在超高速下工作，“自數(shù)十THz起，從理論來(lái)講最高可達(dá)到750THz”（Henry Davis）。

　　對(duì)于利用表面等離子體的技術(shù)，目前正在進(jìn)行各種應(yīng)用研究。比如，F(xiàn)DK已經(jīng)開發(fā)出體積只有過(guò)去數(shù)百分之一的折射率傳感器。NEC正在作為超小型硅光敏二極管的受光天線進(jìn)行研發(fā)。不過(guò)，大多都是作為高靈敏度傳感器來(lái)使用，作為發(fā)光元件的研究成果，迄今只有日本東北大學(xué)電氣通信研究所教授尾辻泰一正在開發(fā)的等離子共振光混合器。

圖1：通過(guò)電子束和納米天線表面的電子相互作用，放射電磁波

圖2：納米天線的SEM（掃描電子顯微鏡）照片。高約100nm的突起大約以0.2μm的間隔排列

“不再需要帶隙”

　　與發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光元件等相比，本發(fā)光元件的優(yōu)點(diǎn)是（1）從遠(yuǎn)紅外到紫外光，可選擇多種發(fā)光波長(zhǎng)；（2）發(fā)光效率非常高，為L(zhǎng)ED的數(shù)倍。

　　據(jù)應(yīng)用等離子公司稱，主要由納米天線的突起間隔和排列方式?jīng)Q定發(fā)光波長(zhǎng)。“甚至能令一個(gè)納米天線以多種波長(zhǎng)進(jìn)行發(fā)光”（應(yīng)用等離子公司）。而決定LED和半導(dǎo)體激光元件發(fā)光波長(zhǎng)的半導(dǎo)體帶隙，只能通過(guò)改變半導(dǎo)體組成才能改變。比如，其組成僅限于GaAs、GaN、 AlN，即III-V族等元素組合�！拔覀兊腜ED（plasmon enabled devices）從帶隙中解放出來(lái)了”（應(yīng)用等離子公司）。

　　發(fā)光效率高是因?yàn)楹徒饘倥c半導(dǎo)體中的電子不同，真空條件下電阻低�！斑@種方式下的發(fā)光效率取決于有多少電子被捕捉到納米天線上”（應(yīng)用等離子公司）。

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