東京大學(xué)研究小組利用Dressed光子使SiC及GaP成功發(fā)光
[導(dǎo)讀]東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究專(zhuān)業(yè)教授、納米光子研究中心主任大津元一的研究小組繼2011年讓硅實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)光之后，又再次讓SiC及GaP成功發(fā)光。這些半導(dǎo)體均具有間接遷移型能帶構(gòu)造。也就是說(shuō)，導(dǎo)帶的電子向價(jià)帶遷移時(shí)
東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究專(zhuān)業(yè)教授、納米光子研究中心主任大津元一的研究小組繼2011年讓硅實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)光之后，又再次讓SiC及GaP成功發(fā)光。這些半導(dǎo)體均具有間接遷移型能帶構(gòu)造。也就是說(shuō)，導(dǎo)帶的電子向價(jià)帶遷移時(shí)，因?yàn)橐话銦o(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)量守恒，所以無(wú)法遷移。因此，業(yè)界一直認(rèn)為這些半導(dǎo)體“不適合用來(lái)制造發(fā)光元件”。
此次間接遷移型半導(dǎo)體能夠發(fā)光的原因在于，利用大津研究室開(kāi)發(fā)的“Dressed光子” (dressed photon)，為以前無(wú)法遷移的能帶結(jié)構(gòu)架設(shè)了“可遷移橋梁”。
Dressed光子是指在向微細(xì)粒子(納米粒子)照射光線時(shí)，光子與納米粒子的電子結(jié)合后，就像“衣服”一樣附著在納米粒子上的光子。大津指出，與物質(zhì)表面的電子結(jié)合的光子還有“表面等離子體”，但“二者的區(qū)別是表面等離子體的頻率一定，而Dressed光子的頻率不固定”。大津解釋說(shuō)，原因是納米粒子非常小，所以不確定性原理的效應(yīng)比較明顯。而且，直到最近大津一直將其稱(chēng)為“近場(chǎng)光”，但“在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，稱(chēng)之為Dressed光子更為合適”。
與Dressed光子結(jié)合的電子會(huì)形成離散的能級(jí)(聲子能級(jí))。大津等人通過(guò)在半導(dǎo)體中形成能級(jí)，實(shí)現(xiàn)了電子的遷移。
發(fā)光的硅LED的制作方法“Dressed光子引用退火法”如下(圖3)。制作硅LED的p層時(shí)，向摻雜了硼(B)的硅通入電流，利用焦耳熱在300℃條件下退火10分鐘。此時(shí)還要從元件外部照射光線。于是，受到光線照射的硼粒子形成聲子能級(jí)并發(fā)生受激發(fā)射現(xiàn)象，利用與照射光線基本相同的波長(zhǎng)來(lái)發(fā)光。制作出來(lái)之后，LED可在沒(méi)有照射光線的情況下通過(guò)注入電流來(lái)發(fā)光。
此處的重點(diǎn)是光線照射。如果不照射光線，就不會(huì)發(fā)生受激發(fā)射現(xiàn)象，LED也就不會(huì)發(fā)光。在大津研究室主導(dǎo)這項(xiàng)研究的特聘副教授川添忠指出，硼的分布也“可在光線照射下自發(fā)變成碎形(將特定圖案或形狀的細(xì)節(jié)部分放大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相同的圖案或形狀，而且會(huì)無(wú)限延續(xù)的構(gòu)造)光波長(zhǎng)可通過(guò)選擇照射光來(lái)改變。長(zhǎng)于帶隙的波長(zhǎng)和短于帶隙的波長(zhǎng)均可。將照射光調(diào)成白色時(shí)，可制作出發(fā)出白色光的LED。
此次間接遷移型半導(dǎo)體能夠發(fā)光的原因在于，利用大津研究室開(kāi)發(fā)的“Dressed光子” (dressed photon)，為以前無(wú)法遷移的能帶結(jié)構(gòu)架設(shè)了“可遷移橋梁”。
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圖1 Si及SiC LED可利用紅外光、可見(jiàn)光及紫外光自由發(fā)光
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圖2 Dressed光子和聲子架設(shè)了發(fā)光橋梁
Dressed光子是指在向微細(xì)粒子(納米粒子)照射光線時(shí)，光子與納米粒子的電子結(jié)合后，就像“衣服”一樣附著在納米粒子上的光子。大津指出，與物質(zhì)表面的電子結(jié)合的光子還有“表面等離子體”，但“二者的區(qū)別是表面等離子體的頻率一定，而Dressed光子的頻率不固定”。大津解釋說(shuō)，原因是納米粒子非常小，所以不確定性原理的效應(yīng)比較明顯。而且，直到最近大津一直將其稱(chēng)為“近場(chǎng)光”，但“在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，稱(chēng)之為Dressed光子更為合適”。
與Dressed光子結(jié)合的電子會(huì)形成離散的能級(jí)(聲子能級(jí))。大津等人通過(guò)在半導(dǎo)體中形成能級(jí)，實(shí)現(xiàn)了電子的遷移。
發(fā)光的硅LED的制作方法“Dressed光子引用退火法”如下(圖3)。制作硅LED的p層時(shí)，向摻雜了硼(B)的硅通入電流，利用焦耳熱在300℃條件下退火10分鐘。此時(shí)還要從元件外部照射光線。于是，受到光線照射的硼粒子形成聲子能級(jí)并發(fā)生受激發(fā)射現(xiàn)象，利用與照射光線基本相同的波長(zhǎng)來(lái)發(fā)光。制作出來(lái)之后，LED可在沒(méi)有照射光線的情況下通過(guò)注入電流來(lái)發(fā)光。
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圖3 照射光線后雜質(zhì)發(fā)生自組織
此處的重點(diǎn)是光線照射。如果不照射光線，就不會(huì)發(fā)生受激發(fā)射現(xiàn)象，LED也就不會(huì)發(fā)光。在大津研究室主導(dǎo)這項(xiàng)研究的特聘副教授川添忠指出，硼的分布也“可在光線照射下自發(fā)變成碎形(將特定圖案或形狀的細(xì)節(jié)部分放大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相同的圖案或形狀，而且會(huì)無(wú)限延續(xù)的構(gòu)造)光波長(zhǎng)可通過(guò)選擇照射光來(lái)改變。長(zhǎng)于帶隙的波長(zhǎng)和短于帶隙的波長(zhǎng)均可。將照射光調(diào)成白色時(shí)，可制作出發(fā)出白色光的LED。
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圖4 “Dressed光子工學(xué)”向多種應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大
這些半導(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。其中之一是只能用硅來(lái)實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)摹肮韫庾印?。此前的Dressed光子技術(shù)應(yīng)用示例、不久之后的應(yīng)用示例以及將來(lái)的應(yīng)用示例。比如，此次的硅LED也能直接變成可利用波長(zhǎng)比帶隙長(zhǎng)或短的光來(lái)發(fā)電的高效率太陽(yáng)能電池。大津研究室目前已開(kāi)始進(jìn)行這方面的驗(yàn)證，已確認(rèn)可使太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率提高兩個(gè)百分點(diǎn)左右。而且，還有望實(shí)現(xiàn)像有機(jī)EL一樣自發(fā)光的無(wú)機(jī)材料顯示器。
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