1. THÔNG BÁO TUYỂN ADMIN DIỄN ĐÀN 2013
    Tìm kiếm nhà trọ - Ở ghép
    THÔNG BÁO BÁN ÁO SPKT.NET CHO THÀNH VIÊN DIỄN ĐÀN


    HÃY TÌM KIẾM Ở ĐÂY TRƯỚC KHI ĐẶT CÂU HỎI
    {xen:phrase loading}

công nghệ chế tạo linh kiênh bán dẫn

Thảo luận trong 'Khoa học máy tính' bắt đầu bởi hongson, 22 Tháng chín 2006.

  1. hongson Guest

    Số bài viết: 0
    Đã được thích: 0
    Điểm thành tích: 0
    Bước đột phá kỹ thuật trong chế tạo điốt phát quang từ Silic
    Người viết: Administrator
    10/05/2006
    Silic là vật liệu quan trọng và đáng được quan tâm nhất đối với con người. Silic là một trong các nguyên tố chủ yếu trên trái đất, về cơ bản được làm từ cát, giá thành rất rẻ. Từ khi phát minh ra tranzitor Silic, mạch điện tử và các mạch tổ hợp được làm từ chất liệu này đã biến đổi hoàn toàn thế giới, số lượng các sản phẩm bán dẫn làm từ Silic hàng năm bán ra trên thế giới có giá trị khổng lồ (213 tỉ USD, năm 2004).


    Tuy nhiên, hầu hết các chuyên gia của nền công nghiệp bán dẫn đều có cùng nhận định rằng Silic gần như “vô dụng” trong việc chuyển từ điện năng sang ánh sáng: từ hàng thế kỷ nay, người ta chỉ biết đến Silic như là một phần tử chỉ có thể phát quang lờ mờ khi bị kích thích. Các sản phẩm thuộc lĩnh vực quang điện tử làm từ Silic chỉ chiếm được một thị phần rất nhỏ (14 tỉ USD năm 2004).


    Sự vắng mặt Silic trong các ứng dụng quang học quyết định đã từ lâu làm các chuyên gia về bán dẫn trăn trở. Nếu các photon có thể hoạt động dễ dàng trong nguyên tử Silic thì chúng ta có thể làm được nhiều điều kỳ diệu. Hãy tưởng tượng máy tính của bạn được nối vào mạng sợi quang cục bộ và lấy dữ liệu từ một máy chủ cách xa với tốc độ hàng chục gigabit mỗi giây, một khối lượng dữ liệu video rõ nét khổng lồ hiện ra liên tục trên màn hình. Các sợi quang nối các microchip trong máy tính sẽ làm tăng nhanh tốc độ tính toán của nó vì các đoạn tắc nghẽn của dải thông do các đoạn dây đồng gây ra đã biến mất. Chìa khoá của viễn cảnh này là cấu tạo của các nguồn sáng được điều khiển hiệu quả bằng điện khi làm việc tại nhiệt độ trong phòng và được sản xuất bằng cách sử dụng các chất liệu và các quy trình tương thích với các phương pháp sản xuất các bộ nhớ Silic và các chip vi xử lý hiện nay.


    Kết nối sợi cáp quang hiện nay đang được sử dụng hầu hết trong các hệ thống truyền thông đường dài vì trong lĩnh vực truyền thông đa phương tiện có đường truyền dài, lợi ích của các mạch điện tử tích hợp quang là rất lớn, cho phép gửi dữ liệu theo đúng đường đi và cho phép vô số các cuộc hội thoại và các kênh dữ liệu được thực hiện trên cùng một đường. Công nghiệp vi điện tử khắp thế giới đã đầu tư tích luỹ hàng nghìn tỷ đôla vào việc xây dựng một cơ sở hạ tầng công nghiệp dành riêng cho việc thiết kế và sản xuất các vi mạch điện tử bằng Silic với số lượng lớn và giá thành rẻ, do đó so với kỹ thuật quang điện tử điều khiển luồng dữ liệu qua các lục địa thì hệ thống làm từ Silic có kênh phân phối và kho lưu trữ dữ liệu rẻ hơn nhiều. Các chùm tia lasers được chế tạo từ Silic có phần điện tử có thể được tích hợp hiệu quả, chặt chẽ hơn với giá thành rẻ hơn (từ 30 đến 200 lần) các chùm tia laser và chùm tia LED làm từ các chất hiếm, được gọi là các chất bán dẫn III-V, bao gồm chất gali arsenit và indi photphua.


    Để kết hợp thế giới của kỹ thuật vi xử lý và laser, cần có các phần tử tổ hợp quang điện tử giá thành rẻ làm từ Silic có cốt lõi là một đèn laser. Tuy biết trước các nghiên cứu này sẽ gặp nhiều rủi ro và không chắc chắn thành công nhưng các viện khoa học, các phòng thí nghiệm nghiên cứu và các công ty bán dẫn vẫn đã dành hàng triệu đôla để tiếp tục theo đuổi mục tiêu của họ. Và cuối cùng họ cũng đã thu được kết quả. Mặc dù vẫn còn một số nhược điểm, chưa có độ chói lớn, nhưng các đèn laser-Silic đã đạt được hiệu quả như các đèn laser-bán dẫn cấu tạo từ các chất bán dẫn III-V đắt tiền. Đây là một bước tiến dài về kỹ thuật trong lĩnh vực quang điện tử.


    Bài báo sẽ phân tích các nhược điểm của cấu trúc một phân tử Silic trong việc chuyển từ điện năng sang ánh sáng, các bước đột phá kỹ thuật để có thể chế tạo các điốt phát quang Silic mơ ước, các triển vọng phát triển và ứng dụng của các LED-Silic.




    Silic là một chất phát quang yếu


    Để xét cơ chế phát quang của một phần tử, cần phải nghiên cứu cấu trúc năng lượng điện tử của nó. Trong một chất bán dẫn điển hình, sự sắp xếp tuần hoàn các nguyên tử trong tinh thể dẫn đến các mức năng lượng được xếp cách nhau theo các dãy một cách chặt chẽ, chứa các trạng thái năng lượng có thể có của các electron. Giữa các dãy là các khe không tồn tại electron. Trong đó, chỉ có 2 dãy là thực sự quan trọng: dãy hoá trị chứa các mức năng lượng thường bị chiếm giữ bởi các electron và dãy ở ngay sát trên nó (hình 1) được gọi là dãy dẫn điện do các electron có đủ năng lượng để tự bứt ra và tự do tăng tốc dưới ảnh hưởng của trường điện từ sẽ tạo ra dòng điện. Sự chênh lệch năng lượng giữa mức cao nhất của dãy hoá trị và mức thấp nhất của dãy dẫn điện được gọi là khe năng lượng.


    Thông thường, các electron chiếm dãy hoá trị, nhưng nếu cấp cho chúng đủ nhiệt, ánh sáng hoặc điện áp chúng sẽ nhảy tới dãy dẫn điện, để lại một lỗ trống, đây chính là sự biến mất của một electron trong mạng tinh thể. Tuy nhiên cặp electron/lỗ trống này- một exiton- chỉ tồn tại trong giây lát, ngay sau đó electron sẽ quay trở lại dãy hoá trị và tái hợp với một lỗ trống. Vì năng lượng luôn được bảo toàn, nên sự tái hợp của một electron và một lỗ trống kèm theo sự giải phóng một hạt năng lượng, được gọi là photon, năng lượng của nó đúng bằng sự chênh lệch giữa dãy dẫn điện và dãy hóa trị hay chính là năng lượng của khe.







    Ngoài năng lượng, các electron cũng có động lượng. Khi một cặp electron/lỗ trống được tạo ra hoặc mất đi bởi sự kết hợp lại, cả năng lượng và động lượng đều được bảo toàn. Trong các chất bán dẫn có khe trực tiếp như gali arsenit, mức năng lượng cao nhất của dãy hoá trị và mức năng lượng thấp nhất của dãy dẫn điện xảy ra tại cùng một giá trị động lượng của electron. Một electron được kích thích trong dãy dẫn điện có thể dễ dàng chuyển về dãy hoá trị thông qua việc tạo thành một photon mà năng lượng của nó đúng bằng năng lượng của khe. Các photon không có động lượng, vì vậy nó là sự chuyển đổi trực tiếp: tất cả năng lượng của bước nhảy dãy năng lượng chuyển hết vào photon.


    Đó là nguyên lý hoạt động cơ bản một điôt phát quang loại III-V. Thành phần cốt lõi của một chùm LED là chuyển tiếp p-n, sự phân chia trong một chất bán dẫn thành hai khu vực, một vùng giàu các electron trong dãy dẫn điện (loại n) và một vùng giàu các lỗ hổng trong dãy hoá trị (loại p). Khi đặt một điện áp âm vào các phân tử Silic loại n nó sẽ đẩy các electron qua liên kết và vào trong các lỗ trống. Chúng tái hợp và phát ra các photon. Tỷ lệ các photon sinh ra và các photon tới chuyển tiếp p-n được gọi là hệ số lượng tử, một đơn vị đo chính cho sự hoạt động của điôt phát quang. Để LED III-V hoạt động tốt, hệ số lượng tử khoảng 10%.


    Điốt laser hoạt động theo nguyên lý cơ bản trên, ngoài ra nó còn cần thêm một vài đặc tính khác. Vùng hoạt tính xung quanh liên kết nơi các electron và các lỗ trống tái hợp được thu nhỏ hơn để tập trung cho sự tái hợp, các mặt đối diện của vùng tái hợp có thể phản xạ. Các photon dao động giữa các mặt phản xạ, va chạm với các nguyên tử và kích thích sự phát quang của các photon thêm vào cùng pha các photon đã có trong vùng. Trong điốt laser, vùng tập trung hoạt động giới hạn bởi các mặt phản xạ được gọi là hốc cộng hưởng. Nhưng khó khăn chính do cấu trúc tinh thể của chúng là khe gián tiếp. Mức năng lượng thấp nhất trong dãy dẫn điện và mức năng lượng cao nhất trong dãy hoá trị xảy ra tại những giá trị động lượng khác nhau của electron. Điều đó có nghĩa là một electron trong dãy dẫn điện có thể tái hợp với một lỗ trống trong dãy hoá trị để tạo ra một photon chỉ với điều kiện là tồn tại nguồn động lượng đủ lớn như một sự dao động trong mạng tinh thể - một phonon. Khả năng của một phonon với động lượng đủ lớn để gặp một cặp electron/lỗ trống trong tinh thể Silic là không nhiều.


    Vì vậy trong Silic, ít electron đã kích thích sinh ra photon, hầu hết sự tái hợp đều toả ra nhiệt nhiều hơn là phát quang và có hệ số lượng tử rất thấp.




    Các bước đột phá kỹ thuật


    Đối mặt với những vấn đề trên, các nhà nghiên cứu đã đưa ra hai phương án để có thể kích hoạt cho Silic phát quang. Phương án thứ nhất dựa trên một hiệu ứng gọi là sự giới hạn lượng tử. Điều này xảy ra khi một cặp electron/lỗ trống theo tự nhiên bị hạn chế trong một khu vực nhỏ, thường nhỏ hơn 30 nanomet vuông hoặc gấp 300 lần cỡ của một nguyên tử bình thường. Để tạo ra các khung lượng tử này, có thể nhúng tinh thể nanoSilic vào trong một lớp đioxit Silic cách điện. Trong một tinh thể nano, các mức năng lượng của các dãy hoá trị và dẫn điện khác nhiều so với các mức năng lượng trong tinh thể lớn. Các tinh thể nano nhỏ hơn, khe năng lượng lớn hơn, mở ra khả năng điều chỉnh các thuộc tính quang học của thiết bị bằng cách điều khiển chính xác sự phát triển của tinh thể nano trong quá trình sản xuất. Sự giới hạn lượng tử sẽ làm giảm động lượng của Silic và làm tăng khả năng các electron tới để phát sinh photon. Phương án thứ hai mà các nhà khoa học đang theo đuổi là giải quyết các vấn đề của khe năng lượng của Silic bằng cách tạo ra một chất khác có thể phát quang nhúng trong thiết bị Silic. Kỹ thuật này được thực hiện bằng cách cấy Silic với các ion nguyên tố đất hiếm lanthanit là nguyên tố có xu hướng phát quang khi bị kích thích bằng điện. Một vài chất trong số này có số lượng nguyên tử từ 58 (cerium) đến 71 (lutetium) tạo thành một nhóm các tính chất hoá học giống nhau. Nếu để các nguyên tố này trong chất khác (Silic hoặc đioxit Silic), các đặc tính điện tử của chúng không bị ảnh hưởng.


    Phương pháp chế tạo các điốt phát quang Silic là kết hợp cả hai kỹ thuật trên. Nó tạo ra sự phát quang tại nhiệt độ trong phòng và có thể điều chỉnh tương đối giữa hiệu quả cao và độ bền lâu. Cấu trúc thiết bị trông khá giống với tranzitor bán dẫn oxit kim loại dùng để tạo các mạch trong hầu hết các chip (hình 2). Ở đỉnh vùng Silic loại p chúng ta tạo ra một lớp cách điện mỏng được gọi là Silic giàu oxit. Đây hoàn toàn là đioxit Silic nhưng được làm giàu Silic hơn. Các ion đất hiếm được cấy vào giữa lớp oxit và được đốt nóng. Hơi nóng làm cho Silic tự động kết lại thành khối có kích thước vài nanomet. Cuối cùng, một lớp Silic loại n được thêm vào phía trên cực kim loại.







    Nếu cấp một điện áp vào cực tạo một trường điện từ để tăng tốc cho các electron qua lớp oxit giàu Silic. Những electron “nóng” này va chạm với các ion đất hiếm, đẩy chúng vào trạng thái năng lượng có thể phát sáng. Tinh thể nano Silic có hai chức năng. Một là chúng làm tăng lên rất nhiều điện dẫn xuất của lớp đioxit Silic và do đó nâng tuổi đời của thiết bị, mặc dù nó làm giảm hiệu quả. Thứ hai, thay vì tự phát quang, các tinh thể nano giống như các phễu năng lượng điều khiển các ion. Các electron “nóng” hay các photon đã phát quang kích thích các tinh thể nano, cái mà sau đó chuyển trạng thái kích thích sang các ion gần đấy kèm theo sự phát quang.


    Kết quả thu được là một thiết bị phát quang rực rỡ tại nhiệt độ trong phòng với hệ số lượng tử lên đến khoảng 10% và có thể so sánh với các chùm LED được chế tạo từ các chất bán dẫn III-V tiên tiến.




    Lợi ích và các hướng nghiên cứu tương lai


    Lợi ích lớn của các đột phá kỹ thuật này là màu của ánh sáng phát ra chỉ phủ thuộc vào các ion đất hiếm đã sử dụng. Samarium cho màu đỏ, terbium màu xanh lá cây, cerium màu xanh da trời và erium rất tiện lợi, mang lại ứng dụng hồng ngoại trong nhiều thiết bị viễn thông (hình 3).


    Hình 3 - Color Codes : Dạng ion đất hiếm gắn trong LED Silic (hình vuông) quyết định màu phát quang của LED. Cerium phát quang màu xanh da trời




    Tuy nhiên, vấn đề còn tồn tại là các LED Silic, chưa có độ chói lớn như tia laser do công suất đầu ra lớn nhất bị giới hạn bởi mật độ dày đặc phân tử Silic kết hợp với các ion đất hiếm (khoảng một nghìn triệu triệu ion trên một centimet vuông).


    Một ứng dụng quan trọng mà các nhà khoa học đang hướng tới là các phương tiện truyền thông từ chip đến chip và từ máy tính đến máy tính. Trong ứng dụng này, các nguồn sáng cần phải được định hướng như một chùm laser hơn là một đèn LED thông thường để việc kết nối nguồn sáng với đầu đọc, sợi quang, hay bất cứ thành phần nào khác đủ hữu hiệu để truyền được tín hiệu một cách chắc chắn.


    Sử dụng thêm các hốc cộng hưởng vào trong laser là một phần của cách điều chỉnh tia LED thành tia laser. Qua nhiều năm các kỹ sư đã thiết kế các hốc cộng hưởng vào trong các LED, các tranzitor, đầu đọc quang, thiết bị dắt sóng, và các công tắc cho các phương tiện truyền thông sợi quang để tạo ra một vài ứng dụng mới.


    Trong chất bán dẫn, một hốc cộng hưởng thường được tạo ra bằng cách kẹp vùng phát sáng vào giữa hai tấm gương phản xạ phân tán Bragg được chế tạo từ các lớp hỗn hợp của 2 chất bán dẫn, một có hệ số khúc xạ cao và một có hệ số khúc xạ thấp (Silic và đioxit Silic). Các nhà khoa học đã có thể trộn oxit giàu Silic với màng ion đất hiếm mà không cần tiếp điện với gương. Họ tạo ra hốc cộng hưởng của LED sử dụng các ion erbium điều chỉnh chiếu sáng tập trung trong một dải bước sóng hẹp 1540nm. Và khi làm cho nhiều thiết bị hơn với số lượng gương lớn hơn trong hốc cộng hưởng, họ đã dần đạt được một tia laser lý tưởng về cường độ phát quang, độ định hướng và đơn sắc.


    Thực sự, LED có hốc cộng hưởng hầu như không khác biệt với laser cộng hưởng đứng phát quang bề mặt (Vertical cavity surface emitting laser - VCSEL). Loại microlaser này đang dần thay thế cho loại LED truyền thống trong mọi ứng dụng từ sợi cáp quang cho đến chuột quang vì chúng rẻ hơn nhiều so với việc chế tạo từ các laser III-V. Để có thể lấy LED từ VCSEL trong một hốc cộng hưởng, ánh sáng phát ra giữa các gương phải kích thích được đa số các ion đất hiếm để tạo ra trạng thái nghịch chuyển mẫu. LED erbium có oxit giàu Silic được các nhà khoa học chế tạo đã đạt tới trạng thái nghịch chuyển mẫu. Nhược điểm cần phải khắc phục là cần hạn chế hơn năng lượng tiêu hao do cấu trúc chưa hoàn hảo trong gương.

    Bước đột phá kỹ thuật trong chế tạo điốt phát quang từ Silic
    Người viết: Administrator
    10/05/2006
    Silic là vật liệu quan trọng và đáng được quan tâm nhất đối với con người. Silic là một trong các nguyên tố chủ yếu trên trái đất, về cơ bản được làm từ cát, giá thành rất rẻ. Từ khi phát minh ra tranzitor Silic, mạch điện tử và các mạch tổ hợp được làm từ chất liệu này đã biến đổi hoàn toàn thế giới, số lượng các sản phẩm bán dẫn làm từ Silic hàng năm bán ra trên thế giới có giá trị khổng lồ (213 tỉ USD, năm 2004).


    Tuy nhiên, hầu hết các chuyên gia của nền công nghiệp bán dẫn đều có cùng nhận định rằng Silic gần như “vô dụng” trong việc chuyển từ điện năng sang ánh sáng: từ hàng thế kỷ nay, người ta chỉ biết đến Silic như là một phần tử chỉ có thể phát quang lờ mờ khi bị kích thích. Các sản phẩm thuộc lĩnh vực quang điện tử làm từ Silic chỉ chiếm được một thị phần rất nhỏ (14 tỉ USD năm 2004).


    Sự vắng mặt Silic trong các ứng dụng quang học quyết định đã từ lâu làm các chuyên gia về bán dẫn trăn trở. Nếu các photon có thể hoạt động dễ dàng trong nguyên tử Silic thì chúng ta có thể làm được nhiều điều kỳ diệu. Hãy tưởng tượng máy tính của bạn được nối vào mạng sợi quang cục bộ và lấy dữ liệu từ một máy chủ cách xa với tốc độ hàng chục gigabit mỗi giây, một khối lượng dữ liệu video rõ nét khổng lồ hiện ra liên tục trên màn hình. Các sợi quang nối các microchip trong máy tính sẽ làm tăng nhanh tốc độ tính toán của nó vì các đoạn tắc nghẽn của dải thông do các đoạn dây đồng gây ra đã biến mất. Chìa khoá của viễn cảnh này là cấu tạo của các nguồn sáng được điều khiển hiệu quả bằng điện khi làm việc tại nhiệt độ trong phòng và được sản xuất bằng cách sử dụng các chất liệu và các quy trình tương thích với các phương pháp sản xuất các bộ nhớ Silic và các chip vi xử lý hiện nay.


    Kết nối sợi cáp quang hiện nay đang được sử dụng hầu hết trong các hệ thống truyền thông đường dài vì trong lĩnh vực truyền thông đa phương tiện có đường truyền dài, lợi ích của các mạch điện tử tích hợp quang là rất lớn, cho phép gửi dữ liệu theo đúng đường đi và cho phép vô số các cuộc hội thoại và các kênh dữ liệu được thực hiện trên cùng một đường. Công nghiệp vi điện tử khắp thế giới đã đầu tư tích luỹ hàng nghìn tỷ đôla vào việc xây dựng một cơ sở hạ tầng công nghiệp dành riêng cho việc thiết kế và sản xuất các vi mạch điện tử bằng Silic với số lượng lớn và giá thành rẻ, do đó so với kỹ thuật quang điện tử điều khiển luồng dữ liệu qua các lục địa thì hệ thống làm từ Silic có kênh phân phối và kho lưu trữ dữ liệu rẻ hơn nhiều. Các chùm tia lasers được chế tạo từ Silic có phần điện tử có thể được tích hợp hiệu quả, chặt chẽ hơn với giá thành rẻ hơn (từ 30 đến 200 lần) các chùm tia laser và chùm tia LED làm từ các chất hiếm, được gọi là các chất bán dẫn III-V, bao gồm chất gali arsenit và indi photphua.


    Để kết hợp thế giới của kỹ thuật vi xử lý và laser, cần có các phần tử tổ hợp quang điện tử giá thành rẻ làm từ Silic có cốt lõi là một đèn laser. Tuy biết trước các nghiên cứu này sẽ gặp nhiều rủi ro và không chắc chắn thành công nhưng các viện khoa học, các phòng thí nghiệm nghiên cứu và các công ty bán dẫn vẫn đã dành hàng triệu đôla để tiếp tục theo đuổi mục tiêu của họ. Và cuối cùng họ cũng đã thu được kết quả. Mặc dù vẫn còn một số nhược điểm, chưa có độ chói lớn, nhưng các đèn laser-Silic đã đạt được hiệu quả như các đèn laser-bán dẫn cấu tạo từ các chất bán dẫn III-V đắt tiền. Đây là một bước tiến dài về kỹ thuật trong lĩnh vực quang điện tử.


    Bài báo sẽ phân tích các nhược điểm của cấu trúc một phân tử Silic trong việc chuyển từ điện năng sang ánh sáng, các bước đột phá kỹ thuật để có thể chế tạo các điốt phát quang Silic mơ ước, các triển vọng phát triển và ứng dụng của các LED-Silic.




    Silic là một chất phát quang yếu


    Để xét cơ chế phát quang của một phần tử, cần phải nghiên cứu cấu trúc năng lượng điện tử của nó. Trong một chất bán dẫn điển hình, sự sắp xếp tuần hoàn các nguyên tử trong tinh thể dẫn đến các mức năng lượng được xếp cách nhau theo các dãy một cách chặt chẽ, chứa các trạng thái năng lượng có thể có của các electron. Giữa các dãy là các khe không tồn tại electron. Trong đó, chỉ có 2 dãy là thực sự quan trọng: dãy hoá trị chứa các mức năng lượng thường bị chiếm giữ bởi các electron và dãy ở ngay sát trên nó (hình 1) được gọi là dãy dẫn điện do các electron có đủ năng lượng để tự bứt ra và tự do tăng tốc dưới ảnh hưởng của trường điện từ sẽ tạo ra dòng điện. Sự chênh lệch năng lượng giữa mức cao nhất của dãy hoá trị và mức thấp nhất của dãy dẫn điện được gọi là khe năng lượng.


    Thông thường, các electron chiếm dãy hoá trị, nhưng nếu cấp cho chúng đủ nhiệt, ánh sáng hoặc điện áp chúng sẽ nhảy tới dãy dẫn điện, để lại một lỗ trống, đây chính là sự biến mất của một electron trong mạng tinh thể. Tuy nhiên cặp electron/lỗ trống này- một exiton- chỉ tồn tại trong giây lát, ngay sau đó electron sẽ quay trở lại dãy hoá trị và tái hợp với một lỗ trống. Vì năng lượng luôn được bảo toàn, nên sự tái hợp của một electron và một lỗ trống kèm theo sự giải phóng một hạt năng lượng, được gọi là photon, năng lượng của nó đúng bằng sự chênh lệch giữa dãy dẫn điện và dãy hóa trị hay chính là năng lượng của khe.







    Ngoài năng lượng, các electron cũng có động lượng. Khi một cặp electron/lỗ trống được tạo ra hoặc mất đi bởi sự kết hợp lại, cả năng lượng và động lượng đều được bảo toàn. Trong các chất bán dẫn có khe trực tiếp như gali arsenit, mức năng lượng cao nhất của dãy hoá trị và mức năng lượng thấp nhất của dãy dẫn điện xảy ra tại cùng một giá trị động lượng của electron. Một electron được kích thích trong dãy dẫn điện có thể dễ dàng chuyển về dãy hoá trị thông qua việc tạo thành một photon mà năng lượng của nó đúng bằng năng lượng của khe. Các photon không có động lượng, vì vậy nó là sự chuyển đổi trực tiếp: tất cả năng lượng của bước nhảy dãy năng lượng chuyển hết vào photon.


    Đó là nguyên lý hoạt động cơ bản một điôt phát quang loại III-V. Thành phần cốt lõi của một chùm LED là chuyển tiếp p-n, sự phân chia trong một chất bán dẫn thành hai khu vực, một vùng giàu các electron trong dãy dẫn điện (loại n) và một vùng giàu các lỗ hổng trong dãy hoá trị (loại p). Khi đặt một điện áp âm vào các phân tử Silic loại n nó sẽ đẩy các electron qua liên kết và vào trong các lỗ trống. Chúng tái hợp và phát ra các photon. Tỷ lệ các photon sinh ra và các photon tới chuyển tiếp p-n được gọi là hệ số lượng tử, một đơn vị đo chính cho sự hoạt động của điôt phát quang. Để LED III-V hoạt động tốt, hệ số lượng tử khoảng 10%.


    Điốt laser hoạt động theo nguyên lý cơ bản trên, ngoài ra nó còn cần thêm một vài đặc tính khác. Vùng hoạt tính xung quanh liên kết nơi các electron và các lỗ trống tái hợp được thu nhỏ hơn để tập trung cho sự tái hợp, các mặt đối diện của vùng tái hợp có thể phản xạ. Các photon dao động giữa các mặt phản xạ, va chạm với các nguyên tử và kích thích sự phát quang của các photon thêm vào cùng pha các photon đã có trong vùng. Trong điốt laser, vùng tập trung hoạt động giới hạn bởi các mặt phản xạ được gọi là hốc cộng hưởng. Nhưng khó khăn chính do cấu trúc tinh thể của chúng là khe gián tiếp. Mức năng lượng thấp nhất trong dãy dẫn điện và mức năng lượng cao nhất trong dãy hoá trị xảy ra tại những giá trị động lượng khác nhau của electron. Điều đó có nghĩa là một electron trong dãy dẫn điện có thể tái hợp với một lỗ trống trong dãy hoá trị để tạo ra một photon chỉ với điều kiện là tồn tại nguồn động lượng đủ lớn như một sự dao động trong mạng tinh thể - một phonon. Khả năng của một phonon với động lượng đủ lớn để gặp một cặp electron/lỗ trống trong tinh thể Silic là không nhiều.


    Vì vậy trong Silic, ít electron đã kích thích sinh ra photon, hầu hết sự tái hợp đều toả ra nhiệt nhiều hơn là phát quang và có hệ số lượng tử rất thấp.




    Các bước đột phá kỹ thuật


    Đối mặt với những vấn đề trên, các nhà nghiên cứu đã đưa ra hai phương án để có thể kích hoạt cho Silic phát quang. Phương án thứ nhất dựa trên một hiệu ứng gọi là sự giới hạn lượng tử. Điều này xảy ra khi một cặp electron/lỗ trống theo tự nhiên bị hạn chế trong một khu vực nhỏ, thường nhỏ hơn 30 nanomet vuông hoặc gấp 300 lần cỡ của một nguyên tử bình thường. Để tạo ra các khung lượng tử này, có thể nhúng tinh thể nanoSilic vào trong một lớp đioxit Silic cách điện. Trong một tinh thể nano, các mức năng lượng của các dãy hoá trị và dẫn điện khác nhiều so với các mức năng lượng trong tinh thể lớn. Các tinh thể nano nhỏ hơn, khe năng lượng lớn hơn, mở ra khả năng điều chỉnh các thuộc tính quang học của thiết bị bằng cách điều khiển chính xác sự phát triển của tinh thể nano trong quá trình sản xuất. Sự giới hạn lượng tử sẽ làm giảm động lượng của Silic và làm tăng khả năng các electron tới để phát sinh photon. Phương án thứ hai mà các nhà khoa học đang theo đuổi là giải quyết các vấn đề của khe năng lượng của Silic bằng cách tạo ra một chất khác có thể phát quang nhúng trong thiết bị Silic. Kỹ thuật này được thực hiện bằng cách cấy Silic với các ion nguyên tố đất hiếm lanthanit là nguyên tố có xu hướng phát quang khi bị kích thích bằng điện. Một vài chất trong số này có số lượng nguyên tử từ 58 (cerium) đến 71 (lutetium) tạo thành một nhóm các tính chất hoá học giống nhau. Nếu để các nguyên tố này trong chất khác (Silic hoặc đioxit Silic), các đặc tính điện tử của chúng không bị ảnh hưởng.


    Phương pháp chế tạo các điốt phát quang Silic là kết hợp cả hai kỹ thuật trên. Nó tạo ra sự phát quang tại nhiệt độ trong phòng và có thể điều chỉnh tương đối giữa hiệu quả cao và độ bền lâu. Cấu trúc thiết bị trông khá giống với tranzitor bán dẫn oxit kim loại dùng để tạo các mạch trong hầu hết các chip (hình 2). Ở đỉnh vùng Silic loại p chúng ta tạo ra một lớp cách điện mỏng được gọi là Silic giàu oxit. Đây hoàn toàn là đioxit Silic nhưng được làm giàu Silic hơn. Các ion đất hiếm được cấy vào giữa lớp oxit và được đốt nóng. Hơi nóng làm cho Silic tự động kết lại thành khối có kích thước vài nanomet. Cuối cùng, một lớp Silic loại n được thêm vào phía trên cực kim loại.







    Nếu cấp một điện áp vào cực tạo một trường điện từ để tăng tốc cho các electron qua lớp oxit giàu Silic. Những electron “nóng” này va chạm với các ion đất hiếm, đẩy chúng vào trạng thái năng lượng có thể phát sáng. Tinh thể nano Silic có hai chức năng. Một là chúng làm tăng lên rất nhiều điện dẫn xuất của lớp đioxit Silic và do đó nâng tuổi đời của thiết bị, mặc dù nó làm giảm hiệu quả. Thứ hai, thay vì tự phát quang, các tinh thể nano giống như các phễu năng lượng điều khiển các ion. Các electron “nóng” hay các photon đã phát quang kích thích các tinh thể nano, cái mà sau đó chuyển trạng thái kích thích sang các ion gần đấy kèm theo sự phát quang.


    Kết quả thu được là một thiết bị phát quang rực rỡ tại nhiệt độ trong phòng với hệ số lượng tử lên đến khoảng 10% và có thể so sánh với các chùm LED được chế tạo từ các chất bán dẫn III-V tiên tiến.




    Lợi ích và các hướng nghiên cứu tương lai


    Lợi ích lớn của các đột phá kỹ thuật này là màu của ánh sáng phát ra chỉ phủ thuộc vào các ion đất hiếm đã sử dụng. Samarium cho màu đỏ, terbium màu xanh lá cây, cerium màu xanh da trời và erium rất tiện lợi, mang lại ứng dụng hồng ngoại trong nhiều thiết bị viễn thông (hình 3).


    Hình 3 - Color Codes : Dạng ion đất hiếm gắn trong LED Silic (hình vuông) quyết định màu phát quang của LED. Cerium phát quang màu xanh da trời




    Tuy nhiên, vấn đề còn tồn tại là các LED Silic, chưa có độ chói lớn như tia laser do công suất đầu ra lớn nhất bị giới hạn bởi mật độ dày đặc phân tử Silic kết hợp với các ion đất hiếm (khoảng một nghìn triệu triệu ion trên một centimet vuông).


    Một ứng dụng quan trọng mà các nhà khoa học đang hướng tới là các phương tiện truyền thông từ chip đến chip và từ máy tính đến máy tính. Trong ứng dụng này, các nguồn sáng cần phải được định hướng như một chùm laser hơn là một đèn LED thông thường để việc kết nối nguồn sáng với đầu đọc, sợi quang, hay bất cứ thành phần nào khác đủ hữu hiệu để truyền được tín hiệu một cách chắc chắn.


    Sử dụng thêm các hốc cộng hưởng vào trong laser là một phần của cách điều chỉnh tia LED thành tia laser. Qua nhiều năm các kỹ sư đã thiết kế các hốc cộng hưởng vào trong các LED, các tranzitor, đầu đọc quang, thiết bị dắt sóng, và các công tắc cho các phương tiện truyền thông sợi quang để tạo ra một vài ứng dụng mới.


    Trong chất bán dẫn, một hốc cộng hưởng thường được tạo ra bằng cách kẹp vùng phát sáng vào giữa hai tấm gương phản xạ phân tán Bragg được chế tạo từ các lớp hỗn hợp của 2 chất bán dẫn, một có hệ số khúc xạ cao và một có hệ số khúc xạ thấp (Silic và đioxit Silic). Các nhà khoa học đã có thể trộn oxit giàu Silic với màng ion đất hiếm mà không cần tiếp điện với gương. Họ tạo ra hốc cộng hưởng của LED sử dụng các ion erbium điều chỉnh chiếu sáng tập trung trong một dải bước sóng hẹp 1540nm. Và khi làm cho nhiều thiết bị hơn với số lượng gương lớn hơn trong hốc cộng hưởng, họ đã dần đạt được một tia laser lý tưởng về cường độ phát quang, độ định hướng và đơn sắc.


    Thực sự, LED có hốc cộng hưởng hầu như không khác biệt với laser cộng hưởng đứng phát quang bề mặt (Vertical cavity surface emitting laser - VCSEL). Loại microlaser này đang dần thay thế cho loại LED truyền thống trong mọi ứng dụng từ sợi cáp quang cho đến chuột quang vì chúng rẻ hơn nhiều so với việc chế tạo từ các laser III-V. Để có thể lấy LED từ VCSEL trong một hốc cộng hưởng, ánh sáng phát ra giữa các gương phải kích thích được đa số các ion đất hiếm để tạo ra trạng thái nghịch chuyển mẫu. LED erbium có oxit giàu Silic được các nhà khoa học chế tạo đã đạt tới trạng thái nghịch chuyển mẫu. Nhược điểm cần phải khắc phục là cần hạn chế hơn năng lượng tiêu hao do cấu trúc chưa hoàn hảo trong gương.

    vv

Chia sẻ trang này