麻省理工推出新款硅基LED 亮度提升十倍

2021-01-04 15:42

近日，麻省理工研究团队宣布，当前设计一款实用性非常强的硅基LED，它将采用正偏方法，相较于其他的硅基LED亮度提升10倍。

本次研制的新款硅基LED采用了正偏方法，同时将LED中PN结的组合方式进行改变，成功将硅材料的光电能量转换效率提高，进一步提升硅基LED的亮度，并降低了LED的制造成本。

对于硅材料来说，这是人类使用最广泛的材料之一，主要使用在制造半导体器件和集成电路领域中。不过由于硅材质的特殊性，始终没有涉及至光学领域中，所以硅基LED一直没有实现。

发光二极管内的PN结包含一个P区和N区，这将决定二极管的发光效率。其中，N区内充满受激的自由电子，P区则具备带正电荷的空穴，吸引着P区的电子。随着电子冲入空穴，电子能级骤降，便可以释放出能量差。然而不同的半导体材料具备不同的电子和空穴的能量，因此所释放出来的能量便具备一定的差异。

目前应用较为普遍的氮化镓、砷化镓等材料属于直接带隙材料，常用于LED中，它的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。

而硅作为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，它更倾向于将能量转化为热，而不是光，所以其转换速度和效率都不如其他材料。

而在今年，荷兰埃因霍芬理工大学Erik Bakkers领导的研究团队采用VLS生长纳米硅线成功研制一种新型的硅锗合金发光材料，成功改善上述问题，并且通过该材料研制出一款能够集成到现有芯片中的硅基激光器。该款激光器的研制成功，可能会在未来大幅降低数据传输的成本，并提高效率。

而本次麻省理工团队进一步提升了硅材质的使用概率，提出了一种N区和P区的新型连接方法，将N区和P区从传统的并列排放改为垂直叠放，让二极管内的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。

美国国家标准与技术研究院对该款新型硅基LED作出了评价：“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。”

麻省理工研究团队的研究人员拉杰夫·拉姆表示，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。

据悉，本次推出的新款硅基LED在IEEE国际电子器件大会上进行展示，并且将在近程传感方面有更加广泛的应用场景。同时，麻省理工研究团队还准备将此款新款硅基LED集成至CMOS芯片之中，并交于格罗方德在新加坡进行生产。

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