矽發光了:麻省理工發明新型實用矽基 LED,亮度提升近 10 倍

2021-01-15 IT之家

芯東西 12 月 30 日消息，博士生 Jin Xue 領導的麻省理工研究團隊採用正偏方法，設計出一款實用性較強的矽基 LED，這款產品相較於其他用正偏法製成的矽基 LED 亮 10 倍。該團隊還將新型矽基 LED 集成到 CMOS 晶片之中，並交由格羅方德（GlobalFoundries）在新加坡生產。

長久以來，矽儘管資源豐富、價格低廉、相關製造工藝成熟，而且是人類使用和了解最廣泛的一種材料，但由於 LED 的電能轉換效率較低，大多數人並不看好矽在 LED 上的應用前景。

麻省理工研究團隊採用正偏方法，並創造性地改變了 LED 中 PN 結的組合方式，成功提高了矽材料光電能量轉換效率，提高了矽基 LED 的亮度，降低了 LED 的製備成本。

近期，Jin Xue 研究團隊在 IEEE 國際電子器件大會上展示了這項成果，該技術在近程傳感方面有廣闊應用前景。

一、矽材料優勢：成本低、工藝成熟

矽資源豐富、價格低廉、性質穩定，是目前人類使用最廣泛的材料之一，主要用來製造半導體器件和集成電路，但始終缺席光學領域。

過去幾十年裡，科學家一直在努力研製一款能真正投入使用的矽基 LED，並將其集成在晶片之中。一旦成功，矽基 LED 作為一種廉價的紅外線光源，能讓許多現階段難以實現的手機應用成為現實，並降低許多現有應用的製造成本。

矽基 LED 主要發射紅外線，這樣的特性使其格外適用於相機自動對焦和測距。儘管現有行動裝置大多都具備上述功能，但使用的材料相較於矽要昂貴許多。

撇去矽的種種優勢不談，矽基 LED 的研製之路事實上卻並不順利。

二、「能隙問題」限制矽基 LED 發展

科學家屢屢碰壁的原因其實很簡單，那便是矽作為 LED 材料來講，並不十分理想。

發光二極體（LED）由一個 PN 結組成，包括一個 N 區和一個 P 區。其中，N 區充斥著受激的自由電子，P 區則有許多帶正電荷的空穴，吸引著 P 區的電子。隨著電子衝入空穴，電子能級驟降，釋放出能量差。

不同半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態不同，因此電子和空穴複合時釋放出的能量也會有差異。

氮化鎵、砷化鎵等常見 LED 材料屬於直接帶隙材料，其導帶最小值和價帶最大值具有同一電子動量，導帶底的電子與價帶頂的空穴可以通過輻射複合而發光，複合機率大，發光效率高。

然而，矽是一種間接帶隙半導體材料，其導帶最小值和價帶最大值的動量值不同。因此，矽材料中的電子傾向於將能量轉化為熱，而不是光，使得矽基 LED 的能量轉換速度和效率均低於其同類產品。

因此，只有突破能隙問題，矽基 LED 才有可能真正投入使用。

三、能隙問題的兩大對策：矽鍺合金、正偏 / 反偏方法

針對能隙問題，目前的解決方案主要有兩種，一種是製造矽鍺合金，另一種是採用正偏 / 反偏方法。

第一種方法即製造矽鍺合金。通過改變矽晶格的形狀，使其從立方結構變為六方結構，再將矽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。

今年早些時候，荷蘭埃因霍芬理工大學 Erik Bakkers 領導的研究團隊採用 VLS 生長納米矽線成功製備出一種新型矽鍺合金髮光材料，並研製出一款能夠集成到現有晶片中的矽基雷射器。該團隊表示，這款小小的雷射器或許能在未來大幅降低數據傳輸的成本，並提高效率。

這不乏是一種好方法，不過製備六方結構矽材料並非易事，其晶像也難以控制。

第二種方法即正偏 / 反偏方法。其中反偏技術至今已有 50 餘年的歷史。

什麼是反偏呢？其全稱是反向偏置，即給 PN 結加反向電壓，P 區接電源負極，N 區接電源正極。這樣一來，電子無法立馬和空穴複合，當電場達到臨界強度後，電子加速運動，電流倍增，形成 「電雪崩」。LED 可以利用 「雪崩」的能量發出明亮的光。不過反偏所需電壓通常比標準電壓高出好幾倍。

與反偏相對的便是正偏。在正向偏置模式下，電子可以盡情湧流。21 世紀以來，一些研究人員也對正偏技術進行了完善，讓矽基 LED 能在 1 伏特電壓下發光。儘管所需電壓已經達到常規 CMOS 晶片中電晶體的水平，但這種矽基 LED 的亮度尚不能滿足日常所需。

四、研究創新點：一種 N 區和 P 區的新型連接方法

麻省理工團隊則採用了正偏的方法，並提出了一種 N 區和 P 區的新型連接方法。

傳統做法是將 N 區和 P 區並列排放，而麻省理工團隊選擇將兩個分區垂直疊放。這樣做能讓電子及空穴遠離表面和邊緣區域，防止電子將電能轉換為熱量，從而提高發光效率。

該團隊的研究人員之一——拉傑夫 · 拉姆（Rajeev Ram）稱，採用這種新型設計製成的矽基 LED 比其他用正偏法製成的同類產品亮十倍。儘管還不足以應用到智慧型手機上，但 Ram 相信未來還會有更多進步。

美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究員 Sonia Buckley 作為第三方，對這款新型矽基 LED 作出了如下評價：「如果你需要低效率、高能耗的光學器件，那麼這款新型矽基 LED 很適合你。這款 LED 相較於市場現有產品，製造成本要低很多，更何況現有 LED 產品尚未集成到晶片上。」

Ram 認為，矽基 LED 的特性非常符合近程傳感的需求，並透露團隊將針對智慧型手機平臺研發一個用於近距離測距的全矽基 LED 系統。他說道：「這可能是該技術近期的應用方向之一，通過這個項目，我們和格羅方德的合作關係也會得以深化。」

結語：矽基光新時代或將到來在漫漫幾十年的時間裡，科學家一直試圖將矽這樣一個既划算又好用的材料應用到光學領域，然而苦於矽材料固有特性的限制，遲遲沒有實現重大突破。

今年，埃因霍芬理工大學研究團隊成功製成矽鍺合金，解決了困擾矽材料已久的能隙問題。麻省理工的這項新發明又創造性地改善了半導體材料中 P 區和 N 區的排列方法，大大提高了矽基光材料的發光效率。

儘管這些技術尚在發展中，離大規模商用還有一定距離，但今年接連取得突破，或許預示著矽基光新時代已經在地平線處。

來源：IEEE Spectrum，中國科學報

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