利用“Dressed光子”，让Si及SiC发出各种颜色的光

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“开发之初让人难以置信。”东京大学研究生院工学系研究专业教授、纳米光子研究中心主任大津元一的研究小组继2011年让硅实现高效率发光之后，又再次让SiC及GaP成功发光（图1）。这些半导体均具有间接迁移型能带构造。也就是说，导带的电子向价带迁移时，因为一般无法实现动量守恒，所以无法迁移。因此，业界一直认为这些半导体“不适合用来制造发光元件”。

发出蓝光的SiC LED （摄影：东京大学大津研究室）

在照射光线的同时形成p层

图1 Si及SiC LED可利用红外光、可见光及紫外光自由发光 东京大学大津研究室开发的硅LED及SiC LED。从红外光到可见光、紫外光，可利用多种波长的光来发光。还实现了不进行波长转换等也能发出白色光的LED。

此次间接迁移型半导体能够发光的原因在于，利用大津研究室开发的“Dressed光子” （dressed photon），为以前无法迁移的能带结构架设了“可迁移桥梁”（图2）。

图2 Dressed光子和声子架设了发光桥梁 Dressed光子的概要、特点与硅等间接迁移型半导体利用Dressed光子来发光的原因。Dressed光子与纳米粒子的电子结合，其声子形成了中间带。这种方法也让间接迁移型半导体实现了发光。

Dressed光子是指在向微细粒子（纳米粒子）照射光线时，光子与纳米粒子的电子结合后，就像“衣服”一样附着在纳米粒子上的光子。大津指出，与物质表面的电子结合的光子还有“表面等离子体”，但“二者的区别是表面等离子体的频率一定，而Dressed光子的频率不固定”。大津解释说，原因是纳米粒子非常小，所以不确定性原理的效应比较明显。而且，直到最近大津一直将其称为“近场光”，但“在研究过程中发现，称之为Dressed光子更为合适”。

与Dressed光子结合的电子会形成离散的能级（声子能级）。大津等人通过在半导体中形成能级，实现了电子的迁移。

发光的硅LED的制作方法“Dressed光子引用退火法”如下（图3）。制作硅LED的p层时，向掺杂了硼（B）的硅通入电流，利用焦耳热在300℃条件下退火10分钟。此时还要从元件外部照射光线。于是，受到光线照射的硼粒子形成声子能级并发生受激发射现象，利用与照射光线基本相同的波长来发光。制作出来之后，LED可在没有照射光线的情况下通过注入电流来发光。

图3 照射光线后杂质发生自组织 现象发光硅LED的制作方法。通过掺杂硼粒子来形成p型硅层时，在通入电流的同时，向其照射所需波长的光线。此时，硼粒子发生自组织现象，自己可形成合适的中间带，利用受激发射来发光。随后再通过注入电流来发光。

此处的重点是光线照射。如果不照射光线，就不会发生受激发射现象，LED也就不会发光。在大津研究室主导这项研究的特聘副教授川添忠指出，硼的分布也“可在光线照射下自发变成碎形（将特定图案或形状的细节部分放大时，会出现相同的图案或形状，而且会无限延续的构造）光波长可通过选择照射光来改变。长于带隙的波长和短于带隙的波长均可。将照射光调成白色时，可制作出发出白色光的LED。

也为提高太阳能电池的效率作出了贡献

这些半导体的应用领域十分广泛（图4）。其中之一是只能用硅来实现光传输的“硅光子”。英特尔、IBM、日立制作所及NEC等都在努力寻找可让硅发光的技术，此次的技术具有强大的技术冲击力。大津表示：“还有多个更让人感兴趣的应用领域。”

图4 “Dressed光子工学”向多种应用领域扩大 此前的Dressed光子技术应用示例、不久之后的应用示例以及将来的应用示例。

比如，此次的硅LED也能直接变成可利用波长比带隙长或短的光来发电的高效率太阳能电池。大津研究室目前已开始进行这方面的验证，已确认可使太阳能电池的转换效率提高两个百分点左右。而且，还有望实现像有机EL一样自发光的无机材料显示器。

大津研究室目前还在与企业合作开发光逻辑门以及工作原理与现有计算机不同的计算机。（日经技术在线！ 供稿）