硅发光了！麻省理工发明新型实用硅基LED，亮度提升近10倍

芯东西（公众号：aichip001）

编译 | 林卓玮

编辑 | 江心白

芯东西1月1日消息，博士生Jin Xue领导的麻省理工研究团队采用正偏方法，设计出一款实用性较强的硅基LED，这款产品相较于其他用正偏法制成的硅基LED亮10倍。该团队还将新型硅基LED集成到CMOS芯片之中，并交由格罗方德（GlobalFoundries）在新加坡生产。

长久以来，硅尽管资源丰富、价格低廉、相关制造工艺成熟，而且是人类使用和了解最广泛的一种材料，但由于LED的电能转换效率较低，大多数人并不看好硅在LED上的应用前景。

麻省理工研究团队采用正偏方法，并创造性地改变了LED中PN结的组合方式，成功提高了硅材料光电能量转换效率，提高了硅基LED的亮度，降低了LED的制备成本。

近期，Jin Xue研究团队在IEEE国际电子器件大会上展示了这项成果，该技术在近程传感方面有广阔应用前景。

一、硅材料优势：成本低、工艺成熟

硅资源丰富、价格低廉、性质稳定，是目前人类使用最广泛的材料之一，主要用来制造半导体器件和集成电路，但始终缺席光学领域。

过去几十年里，科学家一直在努力研制一款能真正投入使用的硅基LED，并将其集成在芯片之中。一旦成功，硅基LED作为一种廉价的红外线光源，能让许多现阶段难以实现的手机应用成为现实，并降低许多现有应用的制造成本。

硅基LED主要发射红外线，这样的特性使其格外适用于相机自动对焦和测距。尽管现有移动设备大多都具备上述功能，但使用的材料相较于硅要昂贵许多。

撇去硅的种种优势不谈，硅基LED的研制之路事实上却并不顺利。

二、“能隙问题”限制硅基LED发展

科学家屡屡碰壁的原因其实很简单，那便是硅作为LED材料来讲，并不十分理想。

发光二极管（LED）由一个PN结组成，包括一个N区和一个P区。其中，N区充斥着受激的自由电子，P区则有许多带正电荷的空穴，吸引着P区的电子。随着电子冲入空穴，电子能级骤降，释放出能量差。

不同半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同，因此电子和空穴复合时释放出的能量也会有差异。

氮化镓、砷化镓等常见LED材料属于直接带隙材料，其导带最小值和价带最大值具有同一电子动量，导带底的电子与价带顶的空穴可以通过辐射复合而发光，复合几率大，发光效率高。

然而，硅是一种间接带隙半导体材料，其导带最小值和价带最大值的动量值不同。因此，硅材料中的电子倾向于将能量转化为热，而不是光，使得硅基LED的能量转换速度和效率均低于其同类产品。

因此，只有突破能隙问题，硅基LED才有可能真正投入使用。

三、能隙问题的两大对策：硅锗合金、正偏/反偏方法

针对能隙问题，目前的解决方案主要有两种，一种是制造硅锗合金，另一种是采用正偏/反偏方法。

第一种方法即制造硅锗合金。通过改变硅晶格的形状，使其从立方结构变为六方结构，再将硅锗两种材料按一定比例组合起来，可以得到直接带隙的合金。

今年早些时候，荷兰埃因霍芬理工大学Erik Bakkers领导的研究团队采用VLS生长纳米硅线成功制备出一种新型硅锗合金发光材料，并研制出一款能够集成到现有芯片中的硅基激光器。该团队表示，这款小小的激光器或许能在未来大幅降低数据传输的成本，并提高效率。

这不乏是一种好方法，不过制备六方结构硅材料并非易事，其晶像也难以控制。

第二种方法即正偏/反偏方法。其中反偏技术至今已有50余年的历史。

什么是反偏呢？其全称是反向偏置，即给PN结加反向电压，P区接电源负极，N区接电源正极。这样一来，电子无法立马和空穴复合，当电场达到临界强度后，电子加速运动，电流倍增，形成“电雪崩”。LED可以利用“雪崩”的能量发出明亮的光。不过反偏所需电压通常比标准电压高出好几倍。

与反偏相对的便是正偏。在正向偏置模式下，电子可以尽情涌流。21世纪以来，一些研究人员也对正偏技术进行了完善，让硅基LED能在1伏特电压下发光。尽管所需电压已经达到常规CMOS芯片中晶体管的水平，但这种硅基LED的亮度尚不能满足日常所需。

四、研究创新点：一种N区和P区的新型连接方法

麻省理工团队则采用了正偏的方法，并提出了一种N区和P区的新型连接方法。

传统做法是将N区和P区并列排放，而麻省理工团队选择将两个分区垂直叠放。这样做能让电子及空穴远离表面和边缘区域，防止电子将电能转换为热量，从而提高发光效率。

该团队的研究人员之一——拉杰夫·拉姆（Rajeev Ram）称，采用这种新型设计制成的硅基LED比其他用正偏法制成的同类产品亮十倍。尽管还不足以应用到智能手机上，但Ram相信未来还会有更多进步。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究员Sonia Buckley作为第三方，对这款新型硅基LED作出了如下评价：“如果你需要低效率、高能耗的光学器件，那么这款新型硅基LED很适合你。这款LED相较于市场现有产品，制造成本要低很多，更何况现有LED产品尚未集成到芯片上。”

Ram认为，硅基LED的特性非常符合近程传感的需求，并透露团队将针对智能手机平台研发一个用于近距离测距的全硅基LED系统。他说道：“这可能是该技术近期的应用方向之一，通过这个项目，我们和格罗方德的合作关系也会得以深化。”

结语：硅基光新时代或将到来

在漫漫几十年的时间里，科学家一直试图将硅这样一个既划算又好用的材料应用到光学领域，然而苦于硅材料固有特性的限制，迟迟没有实现重大突破。

今年，埃因霍芬理工大学研究团队成功制成硅锗合金，解决了困扰硅材料已久的能隙问题。麻省理工的这项新发明又创造性地改善了半导体材料中P区和N区的排列方法，大大提高了硅基光材料的发光效率。

尽管这些技术尚在发展中，离大规模商用还有一定距离，但今年接连取得突破，或许预示着硅基光新时代已经在地平线处。

来源：IEEE Spectrum，中国科学报