東京大學研究生院工學系研究專業(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。這些半導體均具有間接遷移型能帶構(gòu)造。也就是說，導帶的電子向價帶遷移時，因為一般無法實現(xiàn)動量守恒，所以無法遷移。因此，業(yè)界一直認為這些半導體“不適合用來制造發(fā)光元件”。

此次間接遷移型半導體能夠發(fā)光的原因在于，利用大津研究室開發(fā)的“Dressed光子” (dressed photon)，為以前無法遷移的能帶結(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光子的概要、特點與硅等間接遷移型半導體利用Dressed光子來發(fā)光的原因。Dressed光子與納米粒子的電子結(jié)合，其聲子形成了中間帶。這種方法也讓間接遷移型半導體實現(xiàn)了發(fā)光。

Dressed光子是指在向微細粒子(納米粒子)照射光線時，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，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為“近場光”，但“在研究過程中發(fā)現(xiàn)，稱之為Dressed光子更為合適”。

與Dressed光子結(jié)合的電子會形成離散的能級(聲子能級)。大津等人通過在半導體中形成能級，實現(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，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來發(fā)光。制作出來之后，LED可在沒有照射光線的情況下通過注入電流來發(fā)光。

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圖3 照射光線后雜質(zhì)發(fā)生自組織

現(xiàn)象發(fā)光硅LED的制作方法。通過摻雜硼粒子來形成p型硅層時，在通入電流的同時，向其照射所需波長的光線。此時，硼粒子發(fā)生自組織現(xiàn)象，自己可形成合適的中間帶，利用受激發(fā)射來發(fā)光。隨后再通過注入電流來發(fā)光。

此處的重點是光線照射。如果不照射光線，就不會發(fā)生受激發(fā)射現(xiàn)象，LED也就不會發(fā)光。在大津研究室主導這項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節(jié)部分放大時，會出現(xiàn)相同的圖案或形狀，而且會無限延續(xù)的構(gòu)造)光波長可通過選擇照射光來改變。長于帶隙的波長和短于帶隙的波長均可。將照射光調(diào)成白色時，可制作出發(fā)出白色光的LED。

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圖4 “Dressed光子工學”向多種應(yīng)用領(lǐng)域擴大

這些半導體的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。其中之一是只能用硅來實現(xiàn)光傳輸?shù)摹肮韫庾印薄４饲暗腄ressed光子技術(shù)應(yīng)用示例、不久之后的應(yīng)用示例以及將來的應(yīng)用示例。比如，此次的硅LED也能直接變成可利用波長比帶隙長或短的光來發(fā)電的高效率太陽能電池。大津研究室目前已開始進行這方面的驗證，已確認可使太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高兩個百分點左右。而且，還有望實現(xiàn)像有機EL一樣自發(fā)光的無機材料顯示器。