Изобретен новый светодиод на основе кремния с яркостью выше в 10 раз

Исследовательская группа Массачусетского технологического института под руководством аспиранта Цзинь Сюэ применила метод прямого смещения для разработки более практичного светодиода на основе кремния. Этот продукт сравнивают с другими продуктами, изготовленными по методу прямого смещения. Светодиоды на основе кремния в 10 раз ярче. Команда также интегрировала новые светодиоды на основе кремния в чипы CMOS и передала их GlobalFoundries для производства в Сингапуре.

кремниевый светодиод

Исследователи творчески изменили комбинацию PN-переходов в светодиодах, успешно улучшив эффективность фотоэлектрического преобразования энергии кремниевых материалов, увеличив яркость светодиода на основе кремния и снизив стоимость подготовки светодиода.

Недавно исследовательская группа Цзинь Сюэ продемонстрировала этот результат на Международной конференции по электронным устройствам IEEE. Эта технология имеет широкие перспективы применения в зондировании ближнего действия.

Преимущества кремниевых материалов: низкая стоимость и зрелая технология

Кремния много в природе, он дешев и стабилен. В настоящее время это один из наиболее широко используемых человечеством материалов. Он в основном используется для производства полупроводниковых устройств и интегральных схем, но всегда отсутствовал в оптической области.

Последние несколько десятилетий ученые разрабатывают светодиод на основе кремния, который может быть введен в эксплуатацию и интегрирован в микросхеме. В случае успеха светодиоды на основе кремния, как дешевый источник инфракрасного света, могут превратить в реальность многие приложения для мобильных телефонов, которые трудно реализовать на данном этапе, и снизить производственные затраты многих существующих приложений.

Светодиоды на основе кремния в основном излучают инфракрасный свет, что делает их особенно подходящими для автофокусировки камеры и измерения расстояния. Хотя большинство существующих мобильных устройств имеют вышеупомянутые функции, используемые материалы намного дороже кремния.

Независимо от преимуществ кремния, разработка светодиодов на основе кремния на самом деле не идет гладко.

«Проблема энергетической щели» ограничивает развитие кремниевых светодиодов

Причина, по которой ученые постоянно бьются о стену, на самом деле очень проста, то есть кремний как светодиодный материал не очень идеален.

Светоизлучающий диод (LED) состоит из PN перехода, включающего зону N и зону P. Область N заполнена возбужденными свободными электронами, а область P имеет много положительно заряженных дырок, которые притягивают электроны в области P. Когда электрон устремляется в дыру, уровень энергии электронов резко падает, высвобождая разницу энергий.

Энергетические состояния электронов и дырок в разных полупроводниковых материалах различаются, поэтому энергия, выделяемая при рекомбинации электронов и дырок, также будет различной.

Обычные светодиодные материалы, такие как нитрид галлия и арсенид галлия, являются материалами с прямой запрещенной зоной. Минимальная зона проводимости и максимальная валентная зона имеют одинаковый импульс электронов. Электроны в нижней части зоны проводимости и дырки в верхней части валентной зоны могут рекомбинировать для излучения света. При этом высокая вероятность рекомбинации и высокая светоотдача.

Однако кремний является полупроводниковым материалом с непрямой запрещенной зоной, и его минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны имеют разные значения импульса. Следовательно, электроны в кремниевом материале имеют тенденцию преобразовывать энергию в тепло вместо света, что делает скорость преобразования энергии и эффективность светодиодов на основе кремния ниже, чем у аналогичных продуктов.

Следовательно, только преодолев проблему запрещенной зоны, можно по-настоящему использовать светодиоды на основе кремния.

Две основные меры противодействия проблеме запрещенной зоны

Принимая во внимание проблему запрещенной зоны, в настоящее время существует два основных решения: одно — изготовить кремний-германиевый сплав, а второе — использовать метод прямого / обратного смещения.

Первый способ — изготовление кремниево-германиевого сплава. Путем изменения формы решетки кремния с кубической на гексагональную и последующего объединения двух материалов кремния и германия в определенной пропорции можно получить сплав с прямой запрещенной зоной.

Ранее в этом году исследовательская группа под руководством Эрика Баккерса из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах успешно подготовила новый тип светоизлучающего материала из кремний-германиевого сплава с использованием кремниевых нанопроволок, выращенных методом VLS, и разработала кремний, который можно интегрировать в существующие чипы.Команда сказала, что небольшой базовый лазер может значительно снизить стоимость передачи данных и повысить эффективность в будущем.

Это хороший метод, но приготовить гексагональный кремниевый материал непросто, и его кристаллическое изображение также трудно контролировать.

Второй метод — это метод прямого / обратного смещения. Среди них технология обратного смещения имеет более чем 50-летнюю историю.

Что такое обратное смещение? Его полное название — обратное смещение, то есть на переход PN подается обратное напряжение, область P подключается к отрицательному полюсу источника питания, а область N подключается к положительному полюсу источника питания. Таким образом, электроны не могут немедленно рекомбинировать с дырками. Когда электрическое поле достигает критической напряженности, электроны ускоряются, и ток удваивается, образуя «электрическую лавину». Светодиоды могут использовать энергию «лавины» для излучения яркого света. Однако напряжение, необходимое для обратного смещения, обычно в несколько раз превышает стандартное напряжение.

Противоположным обратному смещению является прямое смещение. В режиме прямого смещения электроны могут течь по желанию. Начиная с 21 века, некоторые исследователи также усовершенствовали технологию прямого смещения, позволяющую кремниевым светодиодам излучать свет с напряжением 1 вольт. Хотя необходимое напряжение достигло уровня транзисторов в обычных КМОП-чипах, яркость этого кремниевого светодиода еще не может удовлетворить повседневные потребности.

Исследования и инновации: новый метод соединения областей N и P

Команда Массачусетского технологического института приняла метод с прямым смещением и предложила новый метод соединения для N-зоны и P-зоны.

Традиционный подход заключается в расположении областей N и P рядом, в то время как команда MIT решила расположить две области вертикально. Это удерживает электроны и дырки от поверхности и краевых областей, не позволяя электронам преобразовывать электрическую энергию в тепло, тем самым повышая светоотдачу.

Один из исследователей команды, Раджив Рам (Rajeev Ram) сказал, что кремниевый светодиод, изготовленный с использованием этой новой конструкции, в десять раз ярче, чем другие аналогичные продукты, изготовленные с использованием метода прямой поляризации. Рам считает, что этого недостаточно для смартфонов, но в будущем мы добьемся большего прогресса.

В качестве третьей стороны, Соня Бакли, исследователь из Национального института стандартов и технологий (NIST), прокомментировала этот новый светодиод на основе кремния:

Если вам нужны низкоэффективные и высокоэнергетические оптические устройства, то этот новый светодиод на основе кремния вам очень подходит. По сравнению с существующими продуктами на рынке, этот светодиод имеет гораздо более низкую стоимость производства, не говоря уже о том, что существующие светодиодные продукты еще не интегрированы в чип.

Рам считает, что характеристики светодиодов на кремниевой основе полностью соответствуют потребностям обнаружения на малых расстояниях, и сообщил, что команда разработает полностью основанную на кремнии светодиодную систему для измерения расстояний на малых расстояниях для платформы смартфонов. Он сказал:

Это может быть одним из недавних направлений применения этой технологии. Благодаря этому проекту наше партнерство с GlobalFoundries также будет углубляться.

Вывод: может наступить новая эра кремниевой оптики. На протяжении десятилетий ученые пытались применить кремний, экономичный и простой в использовании материал, в оптическом поле. Однако из-за ограничений, присущих свойствам кремниевых материалов, это откладывалось. Пора совершить крупный прорыв.

В этом году исследовательская группа Технологического университета Эйндховена успешно создала кремний-германиевый сплав, который решил проблему запрещенной зоны, которая долгое время преследовала кремниевые материалы. Это новое изобретение MIT творчески улучшило расположение областей P и N в полупроводниковых материалах и значительно повысило световую отдачу оптических материалов на основе кремния.

Хотя эти технологии все еще находятся в стадии разработки и все еще находятся на определенном расстоянии от крупномасштабного коммерческого использования, в этом году были последовательно совершены прорывы, что может указывать на то, что новая эра кремниевой оптики не за горами.

Читайте обзоры:

-->