硅发光？答案在新型硅锗合金里
硅基光电子芯片的发展正处于爆发的前夜。 图片来源：Unplash
■本报记者 胡珉琦
随着摩尔定律行将失效，用光学链路替代芯片间电学信息互连被认为是一种新的选择。如今，硅基光电子学几乎所有的光电子器件都已被研制出来，唯有高效光源还没有一个很好的解决方案，它也因此成为了光电集成领域的必争之地。
最近，荷兰埃因霍芬理工大学的科研团队开发了一种能发光的硅锗合金，研究成果发表在《自然》上。这种全新的材料可以为硅基光源开辟一条新的出路。而目前，团队正在用它创造一款能够集成到现有芯片中的硅基激光器。
最后的“圣杯”
电子芯片自产生以来一直遵循着摩尔定律集成化的发展道路，即每隔18～24个月，单位面积集成电路上可容纳的元器件的数目就会增加一倍、性能提升一倍。然而，自上世纪90年代以来，芯片的集成速度开始放缓，甚至趋于停滞。
随着信息数据的爆炸式增长，为了大容量和高速率传输的需要，我们必须寻求新的技术途径。
硅基光子芯片应运而生。硅基光子芯片具有电子芯片尺寸小、耗电少、成本低、集成度高等特性，同时吸收了光子芯片多通道、极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性的优势，能满足未来芯片进一步发展的要求。
所谓硅基光子技术，是指以硅和硅基衬底材料作为光学介质，通过集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件，并利用这些器件对光子进行操纵和探测，以实现它在光通信、光互连、光传感、光计算等领域中的实际应用。
4月11日，中国光子芯片公司曦智科技刚刚完成2600万美元融资，成为目前全球融资额最高的光子计算创业公司。两年来，为了给机器智能提供更强大的算力，基于硅光子技术的光子计算越来越受关注。
不过，在广受关注的背后，市场上尚未真正出现硅光子技术“杀手级”的应用。
清华大学电子工程系教授甯存政告诉《中国科学报》，要利用硅基光子技术实现真正光电集成，有两大问题始终悬而未决。
首先，传统的光子材料与硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺难以兼容，缺乏高效发光的硅基片上光源成了光电“携手”的一道鸿沟。因此，硅基高效光源也被视为是硅基光电子学领域最后的“圣杯”。
其次，传统光子器件尺寸太大，如何将光子器件缩小至电子器件的尺寸，也是实现光电集成芯片的一大阻碍。对此，甯存政有个形象的比喻：传统光子器件相当于一座六七百米高的摩天大楼，电子器件相当于摩天大楼旁边放着的小板凳，它们之间整整差了3个数量级。
对于横亘在理想和现实之间的这两座大山，研究界没有成熟的解决办法。甯存政形容当前的硅基光子技术领域，“正是百家争鸣、百花齐放的时候，面前摆着各种不同的技术路径”。
会发光的六方结构硅锗合金
埃因霍芬理工大学Erik Bakkers领导的研究团队研发了一种新型硅锗合金发光材料，并且正在制造一款能够集成到现有芯片中的硅基激光器。他们所寻找的，正是硅基光电集成芯片上那块最重要的“拼图”——硅基高效光源。
研究团队究竟使用什么方法让硅材料发出光来？
半导体材料可以分为直接带隙和间接带隙材料。前者的导带最小值和价带最大值具有同一电子动量，导带底的电子与价带顶的空穴可以通过辐射复合而发光，复合概率大，发光效率高；而后者的导带最小值和价带最大值的动量值不同，根据动量守恒要求，导带底的电子与价带顶的空穴通过辐射复合发光时必须有声子的参与才能完成，所以是一个多体互作用过程，发生的概率很低，因此发光效率也很低。通常立方相的硅、锗都属于后者。
然而，物理学家曾提出，改变硅晶格的形状，使其从立方结构变为六方结构。能带结构的改变也许可以使这些材料成为有效的发光材料。
经过最近十几年的研究，埃因霍芬理工大学团队发现，虽然六方结构的硅仍然是间接带隙，但六方结构的锗材料会变成直接带隙，而且硅锗两种材料按一定组分构成的合金也可以成为直接带隙，发光效率因而会大幅度提高。
只是，要得到这种材料并非易事。
中科院半导体研究所研究员成步文介绍说，尽管可以采用气液反应合成法（VLS）生长纳米硅线、应变、激光微晶沉积等方法制备六方结构硅材料，但很难控制其晶相，保持结构的稳定性。因此，要实现六方结构必须采用非常规方法。
“2015年，该研究团队就曾提出一种新颖的制备六方结构硅材料的方法。他们以金催化VLS生长的磷化镓纳米线为模板，生长硅壳结构，获得了六方结构的硅材料。此次研究是他们在已有工作的基础上，采用了类似的方法，以VLS生长的砷化镓纳米线为模板，生长六方结构的锗和锗硅材料。之所以切换模板材料，是为了使外延的锗和锗硅材料与模板材料的晶格常数更加匹配。”成步文说。
Bakkers表示：“目前，我们已经实现了几乎可与磷化铟和砷化镓媲美的光学特性，并且材料的质量正在逐步提高。如果一切进展顺利，可以在今年创造出硅基激光器。这将为芯片上的光学通信以及基于光谱学的廉价化学传感器开辟新的前景。”
硅基光电子芯片爆发前夜
早在多年前，甯存政就曾访问过埃因霍芬理工大学该研究小组。他告诉《中国科学报》，从材料科学的角度，六方结构硅锗合金的制备以及高效发光的实验验证是一项非常重要的研究进展。接下来，要解决如何在硅基底上生长出高质量的六方相硅锗合金的问题，这才是真正意义上的硅基发光材料。
“现在报道的这种新型材料并不是在硅衬底上实现的，而是基于砷化镓的化合物半导体衬底。但由于世界上已经有很多组可以在硅基上生长砷化镓纳米线，下一步自然的做法便是先在硅基底上生长砷化镓纳米线模板，然后再以该文报道的方法生长硅锗纳米壳层。”甯存政强调。
目前, 除六方结构硅锗合金直接带隙发光这一新的技术路线外，国际上实现硅基光源主要有几个途径：硅纳米结构的发光、稀土掺杂的硅材料发光、硅基锗以及锗锡和锗铅直接带隙材料发光、硅基化合物半导体材料的发光。
成步文解释，前两种均以硅为基质材料，与CMOS工艺兼容性最好，但目前不能实现直接带隙材料，所以很难制备激光器。
“锗的准直接带隙结构使它有比硅更高的发光效率，并且通过应变、掺杂等手段进一步提高其发光效率。锗锡和锗铅合金材料与CMOS工艺兼容，在锡和铅组分合适时可以实现直接带隙，是很有前途的研究路线，现在已经开发出光泵浦激光器，人们正在努力实现电泵浦激光器。但其主要难点在于高质量的直接带隙材料的生长很困难，预计在5年内可能实现电注入激光器。”
成步文说：“硅基化合物半导体材料激光器已经实现，键合结构的激光器已有少量应用，外延的硅基化合物半导体激光器也取得了很好的进展，但是由于与CMOS工艺兼容性比较差，目前还没有应用。”
事实上，除了硅基光源以外，硅基光电集成系统中的SOI波导、调制器、光开关、探测器等均已陆续实现。硅基光子芯片中的其他一些关键光电子器件也已经研制出来，国内有些器件已经达到国际先进水平。
由此可见，一旦硅基光电集成的核心要素取得突破, 硅基光电子学的时代就有望真正到来。现在，硅基光电子芯片的发展正处于爆发的前夜。
不过，甯存政也坦言，国内硅基光电子技术的整体研究规模和工业规模都非常有限，特别是硅基发光器件及其集成的研发能力与国际水平有较大差距，亟须依靠充足的投资来推动该领域的发展。
