最近，由臺灣大學材料科學與工程學系的陳敏璋教授與楊哲人教授領導的研究團隊，利用n型氧化鋅/二氧化硅-硅奈米微晶-二氧化硅/p型硅基板（n-ZnO/SiO2-Si nanocrystal-SiO2/p-Si）之異質(zhì)結(jié)構(gòu)，成功制作出高效率硅發(fā)光二極管，為非直接能帶半導體在光電上的應用開啟了新契機。

　　臺大團隊先利用低壓化學氣相沉積法（LPCVD）在p型硅基板上成長硅奈米微晶，然后以熱氧化法（thermal oxidation）將微晶嵌埋在二氧化硅層中。接著再利用原子層沉積術（Atomic Layer Deposition,ALD）制作高質(zhì)量的n型ZnO薄膜，做為透明導電層、電子注入層以及可提高光萃取率的抗反射層。ALD為先進的奈米薄膜沉積技術，能以原子級精準度控制形成薄膜的厚度及成份，還具備高均勻度、低缺陷密度、可大面積批次量產(chǎn)，以及沈積溫度較低等優(yōu)點。

　　電子顯微鏡照片清楚顯示，直徑約24 nm的硅奈米微晶嵌埋在厚度約9.2 nm的二氧化硅層中。電子與電洞分別由n型ZnO薄膜與p型硅基板，穿隧（tunneling）通過二氧化硅層進入硅奈米微晶。由于電子電洞對被局限在狹小的微晶內(nèi)，二氧化硅對微晶表面缺陷又有修補作用，因此電子電洞對產(chǎn)生發(fā)光結(jié)合（radiative recombination）的機率大增，再加上透明ZnO薄膜的抗反射效果，因而大幅提升硅發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

　　上述組件的室溫發(fā)光頻譜峰值在波長1140 nm處，能量十分接近硅的能隙，對應到聲子輔助非直接載子結(jié)合（phonon-assisted indirect carrier recombination）的物理機制。研究人員也測量了注入不同直流電流時的發(fā)光功率。此組件在室溫下的外部量子效率高達4.3×10-4,是以塊材硅為基板時的100倍，內(nèi)部量子效率推測約為10-3,突破了非直接能帶半導體的限制。

　　值得一提的是，此組件的制程和結(jié)構(gòu)與現(xiàn)行超大規(guī)模集成電路的技術完全兼容，可直接整合在目前的集成電路當中。此研究成果可望應用在集成電路中的光學連接（optical interconnection）以及積體光路（photonic integrated circuits）所需的高效能硅發(fā)光二極管。