矽基光電子晶片的發展正處於爆發的前夜。 圖片來源：Unplash
■本報記者 胡珉琦
隨著摩爾定律行將失效，用光學鏈路替代晶片間電學信息互連被認為是一種新的選擇。如今，矽基光電子學幾乎所有的光電子器件都已被研製出來，唯有高效光源還沒有一個很好的解決方案，它也因此成為了光電集成領域的必爭之地。
最近，荷蘭埃因霍芬理工大學的科研團隊開發了一種能發光的矽鍺合金，研究成果發表在《自然》上。這種全新的材料可以為矽基光源開闢一條新的出路。而目前，團隊正在用它創造一款能夠集成到現有晶片中的矽基雷射器。
最後的「聖杯」
電子晶片自產生以來一直遵循著摩爾定律集成化的發展道路，即每隔18～24個月，單位面積集成電路上可容納的元器件的數目就會增加一倍、性能提升一倍。然而，自上世紀90年代以來，晶片的集成速度開始放緩，甚至趨於停滯。
隨著信息數據的爆炸式增長，為了大容量和高速率傳輸的需要，我們必須尋求新的技術途徑。
矽基光子晶片應運而生。矽基光子晶片具有電子晶片尺寸小、耗電少、成本低、集成度高等特性，同時吸收了光子晶片多通道、極高帶寬、超快傳輸速率和高抗幹擾性的優勢，能滿足未來晶片進一步發展的要求。
所謂矽基光子技術，是指以矽和矽基襯底材料作為光學介質，通過集成電路工藝製造相應的光子器件和光電器件，並利用這些器件對光子進行操縱和探測，以實現它在光通信、光互連、光傳感、光計算等領域中的實際應用。
4月11日，中國光子晶片公司曦智科技剛剛完成2600萬美元融資，成為目前全球融資額最高的光子計算創業公司。兩年來，為了給機器智能提供更強大的算力，基於矽光子技術的光子計算越來越受關注。
不過，在廣受關注的背後，市場上尚未真正出現矽光子技術「殺手級」的應用。
清華大學電子工程系教授甯存政告訴《中國科學報》，要利用矽基光子技術實現真正光電集成，有兩大問題始終懸而未決。
首先，傳統的光子材料與矽基互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝難以兼容，缺乏高效發光的矽基片上光源成了光電「攜手」的一道鴻溝。因此，矽基高效光源也被視為是矽基光電子學領域最後的「聖杯」。
其次，傳統光子器件尺寸太大，如何將光子器件縮小至電子器件的尺寸，也是實現光電集成晶片的一大阻礙。對此，甯存政有個形象的比喻：傳統光子器件相當於一座六七百米高的摩天大樓，電子器件相當於摩天大樓旁邊放著的小板凳，它們之間整整差了3個數量級。
對於橫亙在理想和現實之間的這兩座大山，研究界沒有成熟的解決辦法。甯存政形容當前的矽基光子技術領域，「正是百家爭鳴、百花齊放的時候，面前擺著各種不同的技術路徑」。
會發光的六方結構矽鍺合金
埃因霍芬理工大學Erik Bakkers領導的研究團隊研發了一種新型矽鍺合金髮光材料，並且正在製造一款能夠集成到現有晶片中的矽基雷射器。他們所尋找的，正是矽基光電集成晶片上那塊最重要的「拼圖」——矽基高效光源。
研究團隊究竟使用什麼方法讓矽材料發出光來？
半導體材料可以分為直接帶隙和間接帶隙材料。前者的導帶最小值和價帶最大值具有同一電子動量，導帶底的電子與價帶頂的空穴可以通過輻射複合而發光，複合概率大，發光效率高；而後者的導帶最小值和價帶最大值的動量值不同，根據動量守恆要求，導帶底的電子與價帶頂的空穴通過輻射複合發光時必須有聲子的參與才能完成，所以是一個多體互作用過程，發生的概率很低，因此發光效率也很低。通常立方相的矽、鍺都屬於後者。
然而，物理學家曾提出，改變矽晶格的形狀，使其從立方結構變為六方結構。能帶結構的改變也許可以使這些材料成為有效的發光材料。
經過最近十幾年的研究，埃因霍芬理工大學團隊發現，雖然六方結構的矽仍然是間接帶隙，但六方結構的鍺材料會變成直接帶隙，而且矽鍺兩種材料按一定組分構成的合金也可以成為直接帶隙，發光效率因而會大幅度提高。
只是，要得到這種材料並非易事。
中科院半導體研究所研究員成步文介紹說，儘管可以採用氣液反應合成法（VLS）生長納米矽線、應變、雷射微晶沉積等方法製備六方結構矽材料，但很難控制其晶相，保持結構的穩定性。因此，要實現六方結構必須採用非常規方法。
「2015年，該研究團隊就曾提出一種新穎的製備六方結構矽材料的方法。他們以金催化VLS生長的磷化鎵納米線為模板，生長矽殼結構，獲得了六方結構的矽材料。此次研究是他們在已有工作的基礎上，採用了類似的方法，以VLS生長的砷化鎵納米線為模板，生長六方結構的鍺和鍺矽材料。之所以切換模板材料，是為了使外延的鍺和鍺矽材料與模板材料的晶格常數更加匹配。」成步文說。
Bakkers表示：「目前，我們已經實現了幾乎可與磷化銦和砷化鎵媲美的光學特性，並且材料的質量正在逐步提高。如果一切進展順利，可以在今年創造出矽基雷射器。這將為晶片上的光學通信以及基於光譜學的廉價化學傳感器開闢新的前景。」
矽基光電子晶片爆發前夜
早在多年前，甯存政就曾訪問過埃因霍芬理工大學該研究小組。他告訴《中國科學報》，從材料科學的角度，六方結構矽鍺合金的製備以及高效發光的實驗驗證是一項非常重要的研究進展。接下來，要解決如何在矽基底上生長出高質量的六方相矽鍺合金的問題，這才是真正意義上的矽基發光材料。
「現在報導的這種新型材料並不是在矽襯底上實現的，而是基於砷化鎵的化合物半導體襯底。但由於世界上已經有很多組可以在矽基上生長砷化鎵納米線，下一步自然的做法便是先在矽基底上生長砷化鎵納米線模板，然後再以該文報導的方法生長矽鍺納米殼層。」甯存政強調。
目前, 除六方結構矽鍺合金直接帶隙發光這一新的技術路線外，國際上實現矽基光源主要有幾個途徑：矽納米結構的發光、稀土摻雜的矽材料發光、矽基鍺以及鍺錫和鍺鉛直接帶隙材料發光、矽基化合物半導體材料的發光。
成步文解釋，前兩種均以矽為基質材料，與CMOS工藝兼容性最好，但目前不能實現直接帶隙材料，所以很難製備雷射器。
「鍺的準直接帶隙結構使它有比矽更高的發光效率，並且通過應變、摻雜等手段進一步提高其發光效率。鍺錫和鍺鉛合金材料與CMOS工藝兼容，在錫和鉛組分合適時可以實現直接帶隙，是很有前途的研究路線，現在已經開發出光泵浦雷射器，人們正在努力實現電泵浦雷射器。但其主要難點在於高質量的直接帶隙材料的生長很困難，預計在5年內可能實現電注入雷射器。」
成步文說：「矽基化合物半導體材料雷射器已經實現，鍵合結構的雷射器已有少量應用，外延的矽基化合物半導體雷射器也取得了很好的進展，但是由於與CMOS工藝兼容性比較差，目前還沒有應用。」
事實上，除了矽基光源以外，矽基光電集成系統中的SOI波導、調製器、光開關、探測器等均已陸續實現。矽基光子晶片中的其他一些關鍵光電子器件也已經研製出來，國內有些器件已經達到國際先進水平。
由此可見，一旦矽基光電集成的核心要素取得突破, 矽基光電子學的時代就有望真正到來。現在，矽基光電子晶片的發展正處於爆發的前夜。
不過，甯存政也坦言，國內矽基光電子技術的整體研究規模和工業規模都非常有限，特別是矽基發光器件及其集成的研發能力與國際水平有較大差距，亟須依靠充足的投資來推動該領域的發展。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2150-y
《中國科學報》 (2020-04-23 第3版 信息技術)