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。在設備層面上，這種探索對于我們的移動設備上沒有的所有應用程序都很重要，這些應用程序將依賴廉價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或測量距離的能力 -- 大多數手機現在都有的功能。但實際上沒有電子產品使用硅發光二極管，而是要選擇更昂貴的材料，必須單獨制造。

然而，這種難以捉摸的發光硅基二極管的前景可能正在發生改變。麻省理工學院的研究人員在博士生Jin Xue的帶領下，設計了一種帶有硅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n型區域組成，該區域富含激發的自由電子，與一個p型區域連接，該區域包含正電荷的“空穴”供這些電子填充。當電子進入這些空穴時，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準LED材料是直接帶隙材料，其電子是強大的光發射體，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復合而發光，復合幾率大，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為熱，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產品。

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，使其從立方結構變為六方結構，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，并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，并提高效率。

這不乏是一種好方法，不過制備六方結構硅材料并非易事，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合，當電場達到臨界強度后，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，電子可以盡情涌流。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。

麻省理工學院的研究人員之一Rajeev Ram說：“我們基本上是在壓制所有的競爭過程，使之可行。”Ram說他們的設計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上推廣，但Ram相信未來還會有更多進步。

美國國家標準與技術研究所（U.S. National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究員Sonia Buckley不是麻省理工學院GlobalFoundries研究小組的成員，她說這些LED優先考慮功率而不是效率。她說：“如果你有一些應用程序可以忍受低效率和高功率驅動你的光源，那么這比現在的LED要容易得多，而且很可能要便宜得多，因為LED沒有與芯片集成。”

Ram認為，硅基LED的特性非常符合近程傳感的需求，并透露團隊將針對智能手機平臺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。”

責任編輯：xj

原文標題：研究人員發現新型實用硅基LED 亮度提升近10倍

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