讓硅發光強度提高超十倍！中國留學生實現全硅基芯片間高速光通信

當晶體管小到無法再縮小、單位面積電子芯片的性能難再提升，當摩爾定律失效將成事實，人們不再執着於單純提升電子芯片的時鐘速度和傳輸帶寬，轉而嘗試將光與電的優勢結合起來，以期收穫 1+1>2 的效果。

作為一種使用最為廣泛的半導體材料，硅在微電子、傳感和光伏領域幾近全能，從手機、電腦裏最基礎的 CPU、GPU、內存閃存，到絕大多數消費電子產品的攝像感光元件，再到新能源領域舉足輕重的光伏電池等都被它所壟斷。但硅唯獨欠缺獨立發光能力，這致使光電半導體器件只能用其他材料替代。如幾乎所有的 LED 固態照明裝備、LCD 顯示屏的背光、及代表未來平面顯示技術的 micro-LED 陣列，均是基於 III-V 族半導體的氮化鎵。

（來源：Pixabay）

III-V 族材料發光性能一流，但由於材料與製造工藝的巨大差異，將 III-V 族材料製成的 LED 或者微型半導體激光器和硅基芯片結合到一起需要非常多額外的工序、封裝以及互聯方案，這大大增加了芯片或者模塊的製造成本，降低了集成度和可靠性，且增加了數據延遲。

近期，在提高硅的電致發光亮度與速度以及在商用微電子芯片內部直接實現全硅基光電融合上，麻省理工學院 RLE 實驗室 (the Research Laboratory of Electronics) 博士生薛今聯合半導體廠商格羅方德的合作研究人員取得突破性進展，為微電子芯片光互連、短距高速光通信以及高度集成的光學傳感與探測提供了全新的可能性。

他們設計了一種微米級大小正向偏置全硅基 LED，在完全集成於 55 納米制程商用 CMOS 微電子芯片（無任何實驗室處理）的基礎上實現了低電壓、高速高亮的近紅外發光，其發光強度和調製解調速度可同時達到此前類似器件實驗室記錄的十倍以上。

圖｜硅基 micro-LED 集成在 55BCDL CMOS 上

此外，他們還嘗試了將該 micro-LED 和另外單獨開發的單光子雪崩二極管以及其他微電子器件全部集成於單塊硅芯片，並首次概念性演示了基於光纖傳輸的全硅基芯片到芯片的高速光通信。該項研究在 2020 年 12 月的 IEDM（International Electron Devices Meeting，即 IEEE 國際電子器件大會）會議上進行了介紹，並在 IEEE Transactions on Electron Devices 上進一步發表。

在薛今看來，硅作為一種最重要的半導體在發光能力上的缺陷 “就像一張接近完美的拼圖少了一塊，而且是非常重要的一塊。” 為使這張拼圖完整呈現，薛今大概從 2 年前正式踏上 “缺失拼圖的搜尋之路”，他相信這塊拼圖的去向是有跡可循的。因為，“硅具有優異的感光性質，單純從熱力學可逆性的角度上來説，獲得類似的發光性能並非絕無可能。”

通常條件下硅幾乎無法發光，那就創造特殊條件讓它發光

在出發 “搜圖” 之前，薛今像眾多研究者一樣對 “硅發光能力出逃” 的可能路線做了充分研究，探索它出逃的原因、分析它可能去的地點等。

其實，早在二十世紀八十年代末期，研究人員就已經預測到了硅基發光器件的巨大潛力，並提出了全硅基光電融合的設想。在那之後的二三十年裏，全世界掀起了一股開發硅基 LED 甚至硅基激光器的熱潮。為克服硅的間接帶隙這一本源性質，研究人員提出了納米晶體量子約束、錫鍺合金改變能帶結構、參雜稀土元素、製造特殊缺陷的能級躍遷直接改變晶體結構、利用雪崩效應發光等方案，但每種方案在帶來一方面進步的同時都在另一方面存在難以克服的障礙。以至於迄今為止高效、高亮的硅基發光器件都未能實現。

薛今在他的研究過程中發現，業內此前的研究過於強調直接從硅的間接帶隙性質進行突破，而忽略了其他的策略 —— 如繞開間接帶隙性質這一障礙轉而去控制其他限制電致發光的本質因素。

他告訴 DeepTech：“半導體發光現象的本質其實是內部各種載流子複合機制的競爭。這好比一條注入了電子的主水管分岔成好幾條支路，其中只有一條支路通向發光，而其餘的都是發熱。既然間接帶隙這一固有性質使得硅的發光道路特別崎嶇難走，那就想辦法掐斷其他所有讓他不發光的道路。譬如，減少載流子在不理想的材料表面複合併產生聲子（發熱）的可能性。”

所以，為了實現硅的高發光率，薛今利用新的器件設計方案把載流子引入、並約束在高質量介面內部，最大程度上抑制載流子複合成聲子發熱的可能性，為硅營造了一個電子直達其 “內心世界” 的 “專屬通道”。

圖｜直徑 4 微米的 CMOS LED 的顯微照片，左（斷電狀態下）右（通電狀態下），用普通的 CMOS 相機拍攝所得

經過實驗表明，在室温環境下薛今設計的硅基 LED 在 2.5 伏特以下，芯片外部發光強度可以穩定達到 40mW/c㎡以上。這一亮度已遠超過一般手機屏幕或者家用顯示器電視的最大亮度。這種更高的發光性能將有助於硅在微電子領域的光通信、光傳感等方面發揮優勢。

圖｜各種硅 LED 的發射強度與工作正向電壓的關係（4 微米直徑 LED 的強度與偏置電壓的關係）

並且，在未來微電子和光電器件趨小的發展走勢下，薛今説，微型硅基 LED 將展現出更大的優勢。

他在研究中發現，所有微型半導體發光器件的效率均正相關於核心載流子複合區域的體積與表面積的比值，且同時正相關於該區域的介面表面性質。簡單來説，就是無論哪一種半導體所製成的發光器件，體積越小則效率必然越低，另外材料的介面性質不佳也會使效率成倍變差。

最近的研究表明，III-V 族半導體在縮小到一微米及以下時，幾乎變得和硅一樣難以在常温下電致發光。薛今説，“III-V 族半導體的介面性質很難處理好，只不過現有的發光器件體積都很大，基本都是毫米級別，問題尚未顯現。但若未來順應高度集成化的需求將器件進一步微型化，這一缺陷就會越發凸顯。然而，對於硅來説，器件越小相當於其他半導體的優勢就越大。因為，一些特殊製備的氧化硅、氮化硅介面的表面性質遠遠好於其他半導體，若對這一性質利用得當的話（約束載流子複合）硅基微型發光器件將扳回一城。”

將為光電集成應用帶來全新解決思路

受限於硅幾近於無的發光能力，目前使用的 LED 以及半導體激光器多基於 III-V 族元素，這在許多依賴於硅的高度集成解決方案裏（譬如硅基光子集成迴路、主動光電傳感器等）屬於無可奈何的 “妥協”。

而把可單獨自調製的硅基微型發光器件陣列直接集成到傳統的數字 / 模擬 / 感光芯片上，不再需要額外 “粘貼” 任何 III-V 族半導體或者參雜稀土元素，不同材料帶來的問題也就不再存在，這將為未來的光電集成應用帶來全新的解決思路。

其中一個重要應用是光互連。目前微電子芯片計算架構的速度瓶頸其實主要是芯片之間以及內部基於電子的信息傳輸速度，而非時鐘頻率。受限於能耗和發熱等因素，現在使用金屬互連的通信帶寬（如 CPU 與內存之間、GPU 與顯存之間）很難超過 1Tbps，學界和前沿業界認為光互連（optical interconnect）將會取而代之，並帶來一場計算架構的全新革命。目前，基於這一理念設計的高速光通訊模塊已經在谷歌等大型數據中心得到應用，Intel 等傳統半導體廠商在這一技術上也有佈局。

但目前的光互連、光計算解決方案仍採用獨立的 III-V 族半導體激光器，作為光源進行外部調製。當作為最理想的集成光源 —— 自調製微型硅基發光器件加入，將有可能改變這一格局。

“設想一塊類似於 CMOS 感光器件的大型硅基光源陣列，完全集成於模擬驅動模塊和邏輯處理模塊，並且無需外部調製，這將使得光互連的通信帶寬或是光子計算的並行速度輕鬆提高成百數千倍，同時降低功耗並縮小芯片面積。這對將來的高性能計算架構有很大意義。另一方面，與商用 CMOS 微電子製程的高度集成將使其有機會走入千家萬户，而非永遠停留在科研上”，當然，薛今也表示，前景可觀，但要達到這一程度的系統集成還有很多工作要做。

對此，薛今及其合作者也進行了嘗試，他們將全新設計的 micro-LED 和另外開發的單光子雪崩二極管以及其他微電子器件全部集成於單塊商用硅芯片，並首次概念性地演示了基於光纖傳輸的全硅基芯片到芯片的高速光通信。在初步驗證中達到單個硅基 micro-LED 的調製解調速度達到了 250MHz，芯片間單信道光通信為 10MHz。薛今也強調，這一速度仍受限於實驗室測試設備，而非器件本身的瓶頸。

圖｜信息傳輸測試

此外值得注意的一點是，這一硅基芯片間高速光互連的首次演示同樣是在目前業界成熟投產的微電子芯片製程（55 納米）上完成，這表明，他們的設計方案達到的效果並非苛刻實驗條件下產生的效果，是離實際應用更近的現實解決思路。

也就是説，硅的發光能力提高後，COMS LED 的集成將不再需要額外製作的高昂成本，到那時硅光技術將可以用在更多方面。

薛今舉例説道，比如現在最新的 iPhone 裏面只有價格最高的機型中採用了激光雷達技術（Lidar）。這就是因為目前激光雷達中光源陣列的發光元件是 III-V 族半導體砷化鎵，而其他驅動芯片、感光陣列等都是硅，把不同材料封裝在一起的成本正是激光雷達成本高昂的原因。這也使得目前該模塊體積較大，而且受限於光源陣列的大小，精度也一般。

而當發光元件也是硅的時候，光源陣列、感光陣列、驅動和邏輯處理直接集成在一起，便可以省去昂貴的封裝成本。更為重要的是，將可以在更小的模塊體積下達到更高的分辨率和精度。到那時，不僅 iPhone 所有機型都可以用激光雷達，甚至所有的智能家電都可以使用這一技術。

在薛今的本次成果中，硅基發光的性能雖比以往有了長足進步，但尚不足以挑戰業已成熟的 III-V 族半導體。不過，薛今及其合作者表示，他們已通過進一步實驗表明，未來微型化的硅基半導體發光器件將有可能達到甚至超過現有 III-V 族半導體器件在類似條件下的性能。

從興趣和不解出發，探究阻礙硅發光的秘密

説到對硅在發光方向上的研究，薛今説 “這是很自然的事情”。

圖｜薛今（來源：受訪者提供）

他出生於江蘇常州，曾就讀於江蘇常州高級中學。高二時他獲得了新加坡政府獎學金，並赴新完成了本科學業。

2012 年，薛今獲得南洋理工大學電氣與電子工程學士學位，並取得新加坡最高的國家科學獎學金，次年前往 MIT 電子工程與電腦科學系攻讀碩士和博士。今年春天即將畢業。

從本科最開始接觸光纖激光、到在 MIT 研究光電半導體器件，他的研究方向就是他的興趣所在。

在 MIT 最初幾年，他提出了氮化鎵（GaN）半導體發光效率超過 100% 的可能性（即直接從空氣中吸熱發光），並嘗試為光電半導體器件構建一個基於熱力學和統計力學的理論框架，希望從不同視角帶來全新的認知。由此便延伸到硅的發光上，就像前文提到的，“（根據熱力學的可逆性）硅是一個很好的光的探測器，它既然可以很好地吸收光，為什麼不能發出光？” 這一好奇開始，薛今從硅基光電結合領域的研究出發，一步一步探究阻礙硅發光背後的原因。

現在，薛今已經用他的方法解決了自己的疑問，也在全硅基集成發光上做好了規劃。

接下來，他將進一步探索集成光學腔以實現微型硅基激光器的可能性，以及硅光子系統集成的驗證，希望硅能夠發出更亮的光、達到更高的效率，實現芯片之間甚至內部更高速的信息傳輸，應用在實際中如面部識別將更快速、更精準等。