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。

（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 (the Research Laboratory of Electronics) 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。

图｜硅基 micro-LED 集成在 55BCDL CMOS 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（International Electron Devices Meeting，即 IEEE 国际电子器件大会）会议上进行了介绍，并在 IEEE Transactions on Electron Devices 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”。

图｜直径 4 微米的 CMOS LED 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。

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（optical interconnect）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。

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。

也就是说，硅的发光能力提高后，COMS LED 的集成将不再需要额外制作的高昂成本，到那时硅光技术将可以用在更多方面。

薛今举例说道，比如现在最新的 iPhone 里面只有价格最高的机型中采用了激光雷达技术（Lidar）。这就是因为目前激光雷达中光源阵列的发光元件是 III-V 族半导体砷化镓，而其他驱动芯片、感光阵列等都是硅，把不同材料封装在一起的成本正是激光雷达成本高昂的原因。这也使得目前该模块体积较大，而且受限于光源阵列的大小，精度也一般。

而当发光元件也是硅的时候，光源阵列、感光阵列、驱动和逻辑处理直接集成在一起，便可以省去昂贵的封装成本。更为重要的是，将可以在更小的模块体积下达到更高的分辨率和精度。到那时，不仅 iPhone 所有机型都可以用激光雷达，甚至所有的智能家电都可以使用这一技术。

在薛今的本次成果中，硅基发光的性能虽比以往有了长足进步，但尚不足以挑战业已成熟的 III-V 族半导体。不过，薛今及其合作者表示，他们已通过进一步实验表明，未来微型化的硅基半导体发光器件将有可能达到甚至超过现有 III-V 族半导体器件在类似条件下的性能。

从兴趣和不解出发，探究阻碍硅发光的秘密

说到对硅在发光方向上的研究，薛今说 “这是很自然的事情”。

图｜薛今（来源：受访者提供）

他出生于江苏常州，曾就读于江苏常州高级中学。高二时他获得了新加坡政府奖学金，并赴新完成了本科学业。

2012 年，薛今获得南洋理工大学电气与电子工程学士学位，并取得新加坡最高的国家科学奖学金，次年前往 MIT 电子工程与电脑科学系攻读硕士和博士。今年春天即将毕业。

从本科最开始接触光纤激光、到在 MIT 研究光电半导体器件，他的研究方向就是他的兴趣所在。

在 MIT 最初几年，他提出了氮化镓（GaN）半导体发光效率超过 100% 的可能性（即直接从空气中吸热发光），并尝试为光电半导体器件构建一个基于热力学和统计力学的理论框架，希望从不同视角带来全新的认知。由此便延伸到硅的发光上，就像前文提到的，“（根据热力学的可逆性）硅是一个很好的光的探测器，它既然可以很好地吸收光，为什么不能发出光？” 这一好奇开始，薛今从硅基光电结合领域的研究出发，一步一步探究阻碍硅发光背后的原因。

现在，薛今已经用他的方法解决了自己的疑问，也在全硅基集成发光上做好了规划。

接下来，他将进一步探索集成光学腔以实现微型硅基激光器的可能性，以及硅光子系统集成的验证，希望硅能够发出更亮的光、达到更高的效率，实现芯片之间甚至内部更高速的信息传输，应用在实际中如面部识别将更快速、更精准等。