光效数倍于LED！表面等离子体“发光真空管”

　　美国风险企业应用等离子公司（Applied Plasmon）日前开发出了尺寸不足10μm的可发光微小真空管。利用电子与电磁波共振的表面等离子体现象而实现。本公司最初设想作为可集成于IC的发光元件应用于芯片间的光布线和服务器通信。

在数十THz以上超高速下工作

　　尽管外形尺寸和发光原理不同，但这种发光元件的结构却与向水银气体照射电子束使之发光的荧光灯十分类似。具体来说，就是在内部呈真空状态的微细封装中配备称为“纳米天线”的元件，由阴极向它放射能量约20keV的电子束使之发光（图1）。

　　纳米天线利用光刻技术按一定间隔在硅芯片表面上形成多列突起，并利用电场电镀法镀上一层银（图2）。据应用等离子公司表示，只要向它照射电子束，在银和硅的交界处就会产生电子压缩波（表面等离子体），由此即可放射电磁波（图2）。

　　不过，与过去的真空管和荧光灯不同的是，此次的发光元件非常小，“比如，封装的外形尺寸只有10μm×10μm×0.5μm”（该公司市场开发经理、副总裁Henry Davis），而且可在超高速下工作，“自数十THz起，从理论来讲最高可达到750THz”（Henry Davis）。

　　对于利用表面等离子体的技术，目前正在进行各种应用研究。比如，FDK已经开发出体积只有过去数百分之一的折射率传感器。NEC正在作为超小型硅光敏二极管的受光天线进行研发。不过，大多都是作为高灵敏度传感器来使用，作为发光元件的研究成果，迄今只有日本东北大学电气通信研究所教授尾辻泰一正在开发的等离子共振光混合器。

 
图1：通过电子束和纳米天线表面的电子相互作用，放射电磁波 

 
图2：纳米天线的SEM（扫描电子显微镜）照片。高约100nm的突起大约以0.2μm的间隔排列

“不再需要带隙”

　　与发光二极管（LED）和半导体激光元件等相比，本发光元件的优点是（1）从远红外到紫外光，可选择多种发光波长；（2）发光效率非常高，为LED的数倍。

　　据应用等离子公司称，主要由纳米天线的突起间隔和排列方式决定发光波长。“甚至能令一个纳米天线以多种波长进行发光”（应用等离子公司）。而决定LED和半导体激光元件发光波长的半导体带隙，只能通过改变半导体组成才能改变。比如，其组成仅限于GaAs、GaN、 AlN，即III-V族等元素组合。“我们的PED（plasmon enabled devices）从带隙中解放出来了”（应用等离子公司）。

　　发光效率高是因为和金属与半导体中的电子不同，真空条件下电阻低。“这种方式下的发光效率取决于有多少电子被捕捉到纳米天线上”（应用等离子公司）。（记者：野泽 哲生）