芯東西（公衆號：aichip001）
編譯 | 林卓玮
編輯 | 江心白
芯東西1月1日消息，博士生Jin Xue領導的麻省理工研究團隊采用正偏方法，設計出一款實用性較強的硅基LED，這款産品相較于其他用正偏法制成的硅基LED亮10倍。該團隊還將新型硅基LED集成到CMOS芯片之中，並交由格羅方德（GlobalFoundries）在新加坡生産。
長久以來，硅盡管資源豐富、價格低廉、相關制造工藝成熟，而且是人類使用和了解最廣泛的一種材料，但由于LED的電能轉換效率較低，大多數人並不看好硅在LED上的應用前景。
麻省理工研究團隊采用正偏方法，並創造性地改變了LED中PN結的組合方式，成功提高了硅材料光電能量轉換效率，提高了硅基LED的亮度，降低了LED的制備成本。
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、硅材料優勢：成本低、工藝成熟
硅資源豐富、價格低廉、性質穩定，是目前人類使用最廣泛的材料之一，主要用來制造半導體器件和集成電路，但始終缺席光學領域。
過去幾十年裏，科學家一直在努力研制一款能真正投入使用的硅基LED，並將其集成在芯片之中。一旦成功，硅基LED作爲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爲現實，並降低許多現有應用的制造成本。
硅基LED主要發射紅外線，這樣的特性使其格外適用于相機自動對焦和測距。盡管現有移動設備大多都具備上述功能，但使用的材料相較于硅要昂貴許多。
撇去硅的種種優勢不談，硅基LED的研制之路事實上卻並不順利。
二、“能隙問題”限制硅基LED發展
科學家屢屢碰壁的原因其實很簡單，那便是硅作爲LED材料來講，並不十分理想。
發光二極管（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。隨著電子沖入空穴，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。
氮化镓、砷化镓等常見LED材料屬于直接帶隙材料，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，複合幾率大，發光效率高。
然而，硅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，硅材料中的電子傾向于將能量轉化爲熱，而不是光，使得硅基LED的能量轉換速度和效率均低于其同類産品。
因此，只有突破能隙問題，硅基LED才有可能真正投入使用。
三、能隙問題的兩大對策：硅鍺合金、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，使其從立方結構變爲六方結構，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。
今年早些時候，荷蘭埃因霍芬理工大學Erik Bakkers領導的研究團隊采用VLS生長納米硅線成功制備出一種新型硅鍺合金發光材料，並研制出一款能夠集成到現有芯片中的硅基激光器。該團隊表示，這款小小的激光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，不過制備六方結構硅材料並非易事，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余年的曆史。
什麽是反偏呢？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准電壓高出好幾倍。
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，讓硅基LED能在1伏特電壓下發光。盡管所需電壓已經達到常規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。
四、研究創新點：一種N區和P區的新型連接方法
麻省理工團隊則采用了正偏的方法，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爲熱量，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，采用這種新型設計制成的硅基LED比其他用正偏法制成的同類産品亮十倍。盡管還不足以應用到智能手機上，但Ram相信未來還會有更多進步。
美國國家標准與技術研究院（NIST）的研究員Sonia Buckley作爲第三方，對這款新型硅基LED作出了如下評價：“如果你需要低效率、高能耗的光學器件，那麽這款新型硅基LED很適合你。這款LED相較于市場現有産品，制造成本要低很多，更何況現有LED産品尚未集成到芯片上。”
Ram認爲，硅基LED的特性非常符合近程傳感的需求，並透露團隊將針對智能手機平台研發一個用于近距離測距的全硅基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系也會得以深化。”
結語：硅基光新時代或將到來
在漫漫幾十年的時間裏，科學家一直試圖將硅這樣一個既劃算又好用的材料應用到光學領域，然而苦于硅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制成硅鍺合金，解決了困擾硅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，大大提高了硅基光材料的發光效率。
盡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，或許預示著硅基光新時代已經在地平線處。
來源：IEEE Spectrum，中國科學報
