利用“Dressed光子”，讓Si及SiC發出各種顏色的光

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“開發之初讓人難以置信。”東京大學研究生院工學系研究專業教授、納米光子研究中心主任大津元一的研究小組繼2011年讓硅實現高效率發光之后，又再次讓SiC及GaP成功發光（圖1）。這些半導體均具有間接遷移型能帶構造。也就是說，導帶的電子向價帶遷移時，因為一般無法實現動量守恆，所以無法遷移。因此，業界一直認為這些半導體“不適合用來制造發光元件”。

發出藍光的SiC LED （攝影：東京大學大津研究室）

在照射光線的同時形成p層

圖1 Si及SiC LED可利用紅外光、可見光及紫外光自由發光 東京大學大津研究室開發的硅LED及SiC LED。從紅外光到可見光、紫外光，可利用多種波長的光來發光。還實現了不進行波長轉換等也能發出白色光的LED。

此次間接遷移型半導體能夠發光的原因在於，利用大津研究室開發的“Dressed光子” （dressed photon），為以前無法遷移的能帶結構架設了“可遷移橋梁”（圖2）。

圖2 Dressed光子和聲子架設了發光橋梁 Dressed光子的概要、特點與硅等間接遷移型半導體利用Dressed光子來發光的原因。Dressed光子與納米粒子的電子結合，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了發光。

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，與物質表面的電子結合的光子還有“表面等離子體”，但“二者的區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“在研究過程中發現，稱之為Dressed光子更為合適”。

與Dressed光子結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，實現了電子的遷移。

發光的硅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。於是，受到光線照射的硼粒子形成聲子能級並發生受激發射現象，利用與照射光線基本相同的波長來發光。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光。

圖3 照射光線后雜質發生自組織 現象發光硅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，硼粒子發生自組織現象，自己可形成合適的中間帶，利用受激發射來發光。隨后再通過注入電流來發光。

此處的重點是光線照射。如果不照射光線，就不會發生受激發射現象，LED也就不會發光。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變成碎形（將特定圖案或形狀的細節部分放大時，會出現相同的圖案或形狀，而且會無限延續的構造）光波長可通過選擇照射光來改變。長於帶隙的波長和短於帶隙的波長均可。將照射光調成白色時，可制作出發出白色光的LED。

也為提高太陽能電池的效率作出了貢獻

這些半導體的應用領域十分廣泛（圖4）。其中之一是隻能用硅來實現光傳輸的“硅光子”。英特爾、IBM、日立制作所及NEC等都在努力尋找可讓硅發光的技術，此次的技術具有強大的技術沖擊力。大津表示：“還有多個更讓人感興趣的應用領域。”

圖4 “Dressed光子工學”向多種應用領域擴大 此前的Dressed光子技術應用示例、不久之后的應用示例以及將來的應用示例。

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証，已確認可使太陽能電池的轉換效率提高兩個百分點左右。而且，還有望實現像有機EL一樣自發光的無機材料顯示器。

大津研究室目前還在與企業合作開發光邏輯門以及工作原理與現有計算機不同的計算機。（日經技術在線！ 供稿）