研究人员发现新型实用硅基LED 比以前的正向偏压硅LED亮度高10倍

几十年来，研究人员一直试图制造出一种有效的硅LED，这种LED可以与其芯片一起制造。在设备层面上，这种探索对于我们的移动设备上没有的所有应用程序都很重要，这些应用程序将依赖廉价且易于制造的红外线光源。

硅LED专门用于红外光，使其适用于自动对焦相机或测量距离的能力 -- 大多数手机现在都有的功能。但实际上没有电子产品使用硅发光二极管，而是要选择更昂贵的材料，必须单独制造。

然而，这种难以捉摸的发光硅基二极管的前景可能正在发生改变。麻省理工学院的研究人员在博士生Jin Xue的带领下，设计了一种带有硅LED的功能性CMOS芯片，由新加坡GlobalFoundries公司制造。他们在最近的IEEE International Electron Devices（IEDM）大会上介绍了他们的工作。

坦率地说，迄今为止的主要问题是，硅并不是一种很好的LED材料。

LED由一个n型区域组成，该区域富含激发的自由电子，与一个p型区域连接，该区域包含正电荷的“空穴”供这些电子填充。当电子进入这些空穴时，它们会降低能级，释放出能量的差异。像氮化镓或砷化镓这样的标准LED材料是直接带隙材料，其电子是强大的光发射体，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。

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，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。

麻省理工学院的研究人员之一Rajeev Ram说：“我们基本上是在压制所有的竞争过程，使之可行。”Ram说他们的设计比以前的正向偏压硅LED亮度高10倍。这还不足以在智能手机上推广，但Ram相信未来还会有更多进步。

美国国家标准与技术研究所（U.S. National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究员Sonia Buckley不是麻省理工学院GlobalFoundries研究小组的成员，她说这些LED优先考虑功率而不是效率。她说：“如果你有一些应用程序可以忍受低效率和高功率驱动你的光源，那么这比现在的LED要容易得多，而且很可能要便宜得多，因为LED没有与芯片集成。”

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。”