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( 二 ) 当晶体管小到无法再缩小、单

图｜直径4微米的CMOSLED的显微照片，左（断电状态下）右（通电状态下），用普通的CMOS相机拍摄所得
经过实验表明，在室温环境下薛今设计的硅基LED在2.5伏特以下，芯片外部发光强度可以稳定达到40mW/c㎡以上。这一亮度已远超过一般手机屏幕或者家用显示器电视的最大亮度。这种更高的发光性能将有助于硅在微电子领域的光通信、光传感等方面发挥优势。

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图｜各种硅LED的发射强度与工作正向电压的关系（4微米直径LED的强度与偏置电压的关系）
并且，在未来微电子和光电器件趋小的发展走势下，薛今说，微型硅基LED将展现出更大的优势。
他在研究中发现，所有微型半导体发光器件的效率均正相关于核心载流子复合区域的体积与表面积的比值，且同时正相关于该区域的介面表面性质。简单来说，就是无论哪一种半导体所制成的发光器件，体积越小则效率必然越低，另外材料的介面性质不佳也会使效率成倍变差。
最近的研究表明， III-V族半导体在缩小到一微米及以下时，几乎变得和硅一样难以在常温下电致发光。薛今说， “III-V族半导体的介面性质很难处理好，只不过现有的发光器件体积都很大，基本都是毫米级别，问题尚未显现。但若未来顺应高度集成化的需求将器件进一步微型化，这一缺陷就会越发凸显。然而，对于硅来说，器件越小相当于其他半导体的优势就越大。因为，一些特殊制备的氧化硅、氮化硅介面的表面性质远远好于其他半导体，若对这一性质利用得当的话（约束载流子复合）硅基微型发光器件将扳回一城。 ”
将为光电集成应用带来全新解决思路受限于硅几近于无的发光能力，目前使用的LED以及半导体激光器多基于III-V族元素，这在许多依赖于硅的高度集成解决方案里（譬如硅基光子集成回路、主动光电传感器等）属于无可奈何的“妥协” 。
而把可单独自调制的硅基微型发光器件阵列直接集成到传统的数字/模拟/感光芯片上，不再需要额外“粘贴”任何III-V族半导体或者参杂稀土元素，不同材料带来的问题也就不再存在，这将为未来的光电集成应用带来全新的解决思路。
其中一个重要应用是光互连。目前微电子芯片计算架构的速度瓶颈其实主要是芯片之间以及内部基于电子的信息传输速度，而非时钟频率。受限于能耗和发热等因素，现在使用金属互连的通信带宽（如CPU与内存之间、GPU与显存之间）很难超过1Tbps ，学界和前沿业界认为光互连（opticalinterconnect）将会取而代之，并带来一场计算架构的全新革命。目前，基于这一理念设计的高速光通讯模块已经在谷歌等大型数据中心得到应用， Intel等传统半导体厂商在这一技术上也有布局。
但目前的光互连、光计算解决方案仍采用独立的III-V族半导体激光器，作为光源进行外部调制。当作为最理想的集成光源——自调制微型硅基发光器件加入，将有可能改变这一格局。
“设想一块类似于CMOS感光器件的大型硅基光源阵列，完全集成于模拟驱动模块和逻辑处理模块，并且无需外部调制，这将使得光互连的通信带宽或是光子计算的并行速度轻松提高成百数千倍，同时降低功耗并缩小芯片面积。这对将来的高性能计算架构有很大意义。另一方面，与商用CMOS微电子制程的高度集成将使其有机会走入千家万户，而非永远停留在科研上” ，当然，薛今也表示，前景可观，但要达到这一程度的系统集成还有很多工作要做。
对此，薛今及其合作者也进行了尝试，他们将全新设计的micro-LED和另外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商用硅芯片，并首次概念性地演示了基于光纤传输的全硅基芯片到芯片的高速光通信。在初步验证中达到单个硅基micro-LED的调制解调速度达到了250MHz ，芯片间单信道光通信为10MHz 。薛今也强调，这一速度仍受限于实验室测试设备，而非器件本身的瓶颈。
【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】

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图｜信息传输测试
此外值得注意的一点是，这一硅基芯片间高速光互连的首次演示同样是在目前业界成熟投产的微电子芯片制程（55纳米）上完成，这表明，他们的设计方案达到的效果并非苛刻实验条件下产生的效果，是离实际应用更近的现实解决思路。