12 月 30 日訊息，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制成的矽基 LED 亮 10 倍。該團隊還將新型矽基 LED 整合到 CMOS 晶片之中，並交由格羅方德（GlobalFoundries）在新加坡生產。

color silicon chip

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，該技術在近程感測方面有廣闊應用前景。

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積體電路，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，並將其整合在晶片之中。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。儘管現有移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。

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透過輻射覆合而發光，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。

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。透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 生長奈米矽線成功製備出一種新型矽鍺合金發光材料，並研製出一款能夠整合到現有晶片中的矽基鐳射器。該團隊表示，這款小小的鐳射器或許能在未來大幅降低資料傳輸的成本，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。

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 區的新型連線方法。

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割槽垂直疊放。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 比其他用正偏法制成的同類產品亮十倍。儘管還不足以應用到智慧手機上，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 作出瞭如下評價：“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 產品尚未整合到晶片上。”

Ram 認為，矽基 LED 的特性非常符合近程感測的需求，並透露團隊將針對智慧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，透過這個專案，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。