研究人員發(fā)現(xiàn)新型實(shí)用硅基LED 比以前的正向偏壓硅LED亮度高10倍

幾十年來，研究人員一直試圖制造出一種有效的硅LED，這種LED可以與其芯片一起制造。在設(shè)備層面上，這種探索對于我們的移動設(shè)備上沒有的所有應(yīng)用程序都很重要，這些應(yīng)用程序?qū)⒁蕾嚵畠r(jià)且易于制造的紅外線光源。

硅LED專門用于紅外光，使其適用于自動對焦相機(jī)或測量距離的能力 -- 大多數(shù)手機(jī)現(xiàn)在都有的功能。但實(shí)際上沒有電子產(chǎn)品使用硅發(fā)光二極管，而是要選擇更昂貴的材料，必須單獨(dú)制造。

然而，這種難以捉摸的發(fā)光硅基二極管的前景可能正在發(fā)生改變。麻省理工學(xué)院的研究人員在博士生Jin Xue的帶領(lǐng)下，設(shè)計(jì)了一種帶有硅LED的功能性CMOS芯片，由新加坡GlobalFoundries公司制造。他們在最近的IEEE International Electron Devices（IEDM）大會上介紹了他們的工作。

坦率地說，迄今為止的主要問題是，硅并不是一種很好的LED材料。

LED由一個(gè)n型區(qū)域組成，該區(qū)域富含激發(fā)的自由電子，與一個(gè)p型區(qū)域連接，該區(qū)域包含正電荷的“空穴”供這些電子填充。當(dāng)電子進(jìn)入這些空穴時(shí)，它們會降低能級，釋放出能量的差異。像氮化鎵或砷化鎵這樣的標(biāo)準(zhǔn)LED材料是直接帶隙材料，其電子是強(qiáng)大的光發(fā)射體，其導(dǎo)帶最小值和價(jià)帶最大值具有同一電子動量，導(dǎo)帶底的電子與價(jià)帶頂?shù)目昭梢酝ㄟ^輻射復(fù)合而發(fā)光，復(fù)合幾率大，發(fā)光效率高。

然而，硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)帶最小值和價(jià)帶最大值的動量值不同。因此，硅材料中的電子傾向于將能量轉(zhuǎn)化為熱，而不是光，使得硅基LED的能量轉(zhuǎn)換速度和效率均低于其同類產(chǎn)品。

因此，只有突破能隙問題，硅基LED才有可能真正投入使用。

針對能隙問題，目前的解決方案主要有兩種，一種是制造硅鍺合金，另一種是采用正偏/反偏方法。

第一種方法即制造硅鍺合金。通過改變硅晶格的形狀，使其從立方結(jié)構(gòu)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)，再將硅鍺兩種材料按一定比例組合起來，可以得到直接帶隙的合金。

今年早些時(shí)候，荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)Erik Bakkers領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)采用VLS生長納米硅線成功制備出一種新型硅鍺合金發(fā)光材料，并研制出一款能夠集成到現(xiàn)有芯片中的硅基激光器。該團(tuán)隊(duì)表示，這款小小的激光器或許能在未來大幅降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀?，并提高效率?/p>

這不乏是一種好方法，不過制備六方結(jié)構(gòu)硅材料并非易事，其晶像也難以控制。

第二種方法即正偏/反偏方法。其中反偏技術(shù)至今已有50余年的歷史。

什么是反偏呢？其全稱是反向偏置，這樣一來，電子無法立馬和空穴復(fù)合，當(dāng)電場達(dá)到臨界強(qiáng)度后，電子加速運(yùn)動，電流倍增，形成“電雪崩”。LED可以利用“雪崩”的能量發(fā)出明亮的光。不過反偏所需電壓通常比標(biāo)準(zhǔn)電壓高出好幾倍。

與反偏相對的便是正偏。在正向偏置模式下，電子可以盡情涌流。21世紀(jì)以來，一些研究人員也對正偏技術(shù)進(jìn)行了完善，讓硅基LED能在1伏特電壓下發(fā)光。盡管所需電壓已經(jīng)達(dá)到常規(guī)CMOS芯片中晶體管的水平，但這種硅基LED的亮度尚不能滿足日常所需。

麻省理工學(xué)院的研究人員之一Rajeev Ram說：“我們基本上是在壓制所有的競爭過程，使之可行?！盧am說他們的設(shè)計(jì)比以前的正向偏壓硅LED亮度高10倍。這還不足以在智能手機(jī)上推廣，但Ram相信未來還會有更多進(jìn)步。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（U.S. National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究員Sonia Buckley不是麻省理工學(xué)院GlobalFoundries研究小組的成員，她說這些LED優(yōu)先考慮功率而不是效率。她說：“如果你有一些應(yīng)用程序可以忍受低效率和高功率驅(qū)動你的光源，那么這比現(xiàn)在的LED要容易得多，而且很可能要便宜得多，因?yàn)長ED沒有與芯片集成?！?/p>

Ram認(rèn)為，硅基LED的特性非常符合近程傳感的需求，并透露團(tuán)隊(duì)將針對智能手機(jī)平臺研發(fā)一個(gè)用于近距離測距的全硅基LED系統(tǒng)。他說道：“這可能是該技術(shù)近期的應(yīng)用方向之一，通過這個(gè)項(xiàng)目，我們和格羅方德的合作關(guān)系也會得以深化?！?/p>

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：研究人員發(fā)現(xiàn)新型實(shí)用硅基LED 亮度提升近10倍

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