让硅发光强度提高超十倍！中国留学生实现全硅基芯片间高速光通信当晶体管小到无法再缩小、单

当晶体管小到无法再缩小、单位面积电子芯片的性能难再提升，当摩尔定律失效将成事实，人们不再执着于单纯提升电子芯片的时钟速度和传输带宽，转而尝试将光与电的优势结合起来，以期收获1+1>2的效果。
作为一种使用最为广泛的半导体材料，硅在微电子、传感和光伏领域几近全能，从手机、电脑里最基础的CPU、GPU、内存闪存，到绝大多数消费电子产品的摄像感光元件，再到新能源领域举足轻重的光伏电池等都被它所垄断。但硅唯独欠缺独立发光能力，这致使光电半导体器件只能用其他材料替代。如几乎所有的LED固态照明装备、LCD显示屏的背光、及代表未来平面显示技术的micro-LED阵列，均是基于III-V族半导体的氮化镓。

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（来源：Pixabay）
III-V族材料发光性能一流，但由于材料与制造工艺的巨大差异，将III-V族材料制成的LED或者微型半导体激光器和硅基芯片结合到一起需要非常多额外的工序、封装以及互联方案，这大大增加了芯片或者模块的制造成本，降低了集成度和可靠性，且增加了数据延迟。
近期，在提高硅的电致发光亮度与速度以及在商用微电子芯片内部直接实现全硅基光电融合上，麻省理工学院RLE实验室(theResearchLaboratoryofElectronics)博士生薛今联合半导体厂商格罗方德的合作研究人员取得突破性进展，为微电子芯片光互连、短距高速光通信以及高度集成的光学传感与探测提供了全新的可能性。
他们设计了一种微米级大小正向偏置全硅基LED ，在完全集成于55纳米制程商用CMOS微电子芯片（无任何实验室处理）的基础上实现了低电压、高速高亮的近红外发光，其发光强度和调制解调速度可同时达到此前类似器件实验室记录的十倍以上。

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图｜硅基micro-LED集成在55BCDLCMOS上
此外，他们还尝试了将该micro-LED和另外单独开发的单光子雪崩二极管以及其他微电子器件全部集成于单块硅芯片，并首次概念性演示了基于光纤传输的全硅基芯片到芯片的高速光通信。该项研究在2020年12月的IEDM（InternationalElectronDevicesMeeting ，即IEEE国际电子器件大会）会议上进行了介绍，并在IEEETransactionsonElectronDevices上进一步发表。
在薛今看来，硅作为一种最重要的半导体在发光能力上的缺陷“就像一张接近完美的拼图少了一块，而且是非常重要的一块。 ”为使这张拼图完整呈现，薛今大概从2年前正式踏上“缺失拼图的搜寻之路” ，他相信这块拼图的去向是有迹可循的。因为， “硅具有优异的感光性质，单纯从热力学可逆性的角度上来说，获得类似的发光性能并非绝无可能。 ”
通常条件下硅几乎无法发光，那就创造特殊条件让它发光在出发“搜图”之前，薛今像众多研究者一样对“硅发光能力出逃”的可能路线做了充分研究，探索它出逃的原因、分析它可能去的地点等。
其实，早在二十世纪八十年代末期，研究人员就已经预测到了硅基发光器件的巨大潜力，并提出了全硅基光电融合的设想。在那之后的二三十年里，全世界掀起了一股开发硅基LED甚至硅基激光器的热潮。为克服硅的间接带隙这一本源性质，研究人员提出了纳米晶体量子约束、锡锗合金改变能带结构、参杂稀土元素、制造特殊缺陷的能级跃迁直接改变晶体结构、利用雪崩效应发光等方案，但每种方案在带来一方面进步的同时都在另一方面存在难以克服的障碍。以至于迄今为止高效、高亮的硅基发光器件都未能实现。
薛今在他的研究过程中发现，业内此前的研究过于强调直接从硅的间接带隙性质进行突破，而忽略了其他的策略——如绕开间接带隙性质这一障碍转而去控制其他限制电致发光的本质因素。
他告诉DeepTech：“半导体发光现象的本质其实是内部各种载流子复合机制的竞争。这好比一条注入了电子的主水管分岔成好几条支路，其中只有一条支路通向发光，而其余的都是发热。既然间接带隙这一固有性质使得硅的发光道路特别崎岖难走，那就想办法掐断其他所有让他不发光的道路。譬如，减少载流子在不理想的材料表面复合并产生声子（发热）的可能性。 ”
所以，为了实现硅的高发光率，薛今利用新的器件设计方案把载流子引入、并约束在高质量介面内部，最大程度上抑制载流子复合成声子发热的可能性，为硅营造了一个电子直达其“内心世界”的“专属通道” 。