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意甲直播硅发光了:麻省理工发明新型实用硅基 LED,亮度提升近 10 倍

2021-01-01

芯东西 12 月 30 日消息,意甲直播博士生 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,意甲在线直播提高了硅基 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,意甲免费直播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,意甲积分吸引着 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,意甲积分榜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