美國風險企業(yè)應用等離子公司（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象而實現。本公司最初設想作為可集成于IC的發(fā)光元件應用于芯片間的光布線和服務器通信。

在數十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)光元件的結構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。具體來說，就是在內部呈真空狀態(tài)的微細封裝中配備稱為“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按一定間隔在硅芯片表面上形成多列突起，并利用電場電鍍法鍍上一層銀（圖2）。據應用等離子公司表示，只要向它照射電子束，在銀和硅的交界處就會產生電子壓縮波（表面等離子體），由此即可放射電磁波（圖2）。

　　不過，與過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”（該公司市場開發(fā)經理、副總裁Henry Davis），而且可在超高速下工作，“自數十THz起，從理論來講最高可達到750THz”（Henry Davis）。

　　對于利用表面等離子體的技術，目前正在進行各種應用研究。比如，FDK已經開發(fā)出體積只有過去數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行研發(fā)。不過，大多都是作為高靈敏度傳感器來使用，作為發(fā)光元件的研究成果，迄今只有日本東北大學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）和半導體激光元件等相比，本發(fā)光元件的優(yōu)點是（1）從遠紅外到紫外光，可選擇多種發(fā)光波長；（2）發(fā)光效率非常高，為LED的數倍。

　　據應用等離子公司稱，主要由納米天線的突起間隔和排列方式決定發(fā)光波長。“甚至能令一個納米天線以多種波長進行發(fā)光”（應用等離子公司）。而決定LED和半導體激光元件發(fā)光波長的半導體帶隙，只能通過改變半導體組成才能改變。比如，其組成僅限于GaAs、GaN、 AlN，即III-V族等元素組合。“我們的PED（plasmon enabled devices）從帶隙中解放出來了”（應用等離子公司）。

　　發(fā)光效率高是因為和金屬與半導體中的電子不同，真空條件下電阻低。“這種方式下的發(fā)光效率取決于有多少電子被捕捉到納米天線上”（應用等離子公司）。

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