硅光子技術(shù)普及（下）：硅發(fā)光取得進(jìn)展

        原本不發(fā)光的材料發(fā)光了

        硅光子剩下的最大課題就是發(fā)光元件。此前開發(fā)的光收發(fā)器的發(fā)光元件都無法與硅和CMOS兼容，因此要粘貼采用化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件。實(shí)現(xiàn)與CMOS兼容的發(fā)光元件可以說是硅光子技術(shù)的“夙愿”。

         硅光子剩下的最大課題就是發(fā)光元件。此前開發(fā)的光收發(fā)器的發(fā)光元件都無法與硅和CMOS兼容，因此要粘貼采用化合物半導(dǎo)體的發(fā)光元件。實(shí)現(xiàn)與CMOS兼容的發(fā)光元件可以說是硅光子技術(shù)的“夙愿”。 現(xiàn)在，這個(gè)課題也在不斷取得突破。此前，由于硅和鍺屬于能帶結(jié)構(gòu)為間接遷移型*的半導(dǎo)體，因此一直被認(rèn)為基本不發(fā)光。但在最近一兩年，這個(gè)“常識(shí)”被打破，已經(jīng)能夠看到利用鍺和硅實(shí)現(xiàn)發(fā)光元件的希望。



        本圖為可利用最近開發(fā)的CMOS兼容技術(shù)制作的發(fā)光元件。MIT通過注入電流成功使Ge-on-Si元件實(shí)現(xiàn)了激光振蕩（a）。日立制作所和東京大學(xué)荒川研究室也通過電流注入技術(shù)成功使Ge-on-Si元件實(shí)現(xiàn)了發(fā)光（b）。另外，東京大學(xué)大津研究室成功使pin型硅元件實(shí)現(xiàn)了高效率發(fā)光（c）。實(shí)現(xiàn)了多種波長(zhǎng)的發(fā)光。（圖（b）由PECST制作，（c）由東京大學(xué)大津研究室拍攝）

         間接遷移型＝根據(jù)波數(shù)和電子能量分析半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，價(jià)帶中能量最大的波數(shù)與導(dǎo)帶中能量最小的波數(shù)各不相同。波數(shù)是與動(dòng)量有關(guān)的物理量，因此即使想把導(dǎo)帶的電子遷移到價(jià)帶中，一般來說，不符合動(dòng)量守恒定律就無法遷移，也就是說無法發(fā)光。能發(fā)光的能帶結(jié)構(gòu)被稱為直接遷移型。

        打破這個(gè)常識(shí)的研究單位之一就是美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）。MIT于2010年通過光激發(fā)使鍺發(fā)光，2012年通過注入電流，成功使鍺實(shí)現(xiàn)了激光振蕩。

        成功的秘訣是對(duì)鍺進(jìn)行高濃度n型摻雜，將其能帶結(jié)構(gòu)變成直接遷移型。目前的摻雜濃度為4×1019個(gè)/cm3，對(duì)于半導(dǎo)體來說非常高。在有關(guān)鍺的研究中，與MIT有交流的東京大學(xué)的和田自信地表示，“還差一步，如果能達(dá)到1020個(gè)/cm3以上的摻雜，就能實(shí)現(xiàn)與化合物半導(dǎo)體相當(dāng)?shù)陌l(fā)光增益。硅光子全部能利用（硅和鍺等）IV族材料實(shí)現(xiàn)”。

         日立制作所和東京大學(xué)荒川研究室也實(shí)現(xiàn)了鍺發(fā)光。日立制作所到2年前為止一直在進(jìn)行通過量子效果使硅發(fā)光的研究，之后開始研究鍺。同樣是利用高濃度的n型摻雜鍺，在此基礎(chǔ)上通過SiN對(duì)鍺施加應(yīng)變，并已確認(rèn)這種方法可以提高發(fā)光強(qiáng)度。

         硅發(fā)光取得進(jìn)展 

         另外，還出現(xiàn)了使硅光子的主角——硅自身發(fā)光的例子。東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科教授、納米光子研究中心中心長(zhǎng)大津元一的研發(fā)小組2011年發(fā)現(xiàn)硅可以發(fā)光。

         據(jù)介紹，為硅通電，然后邊照射電磁波邊進(jìn)行p型摻雜的話，就會(huì)開始受激發(fā)射。已確認(rèn)利用該材料制作的硅LED能夠發(fā)光注5）。

         注5） 發(fā)光波長(zhǎng)為1.1～1.5μm，能在大帶寬內(nèi)發(fā)光。

         通過不斷優(yōu)化元件，目前紅外光硅LED的外部量子效率超過了10％（圖9）。作為才開發(fā)2年的發(fā)光效率，即使與目前最新型白色LED的30％左右相比，也已經(jīng)算十分高了。雖然效率還比較低，但已制作出通過紅外光激光振蕩的元件，以及可通過紅色光、綠色光、藍(lán)色光等發(fā)光的硅LED。大津表示，計(jì)劃使可用于硅光子的紅外激光2015年達(dá)到10％的效率。 
                                            


         本圖為東京大學(xué)大津研究室正在開發(fā)的硅LED和硅激光元件的發(fā)光效率提高情況。紅外發(fā)光硅LED的外部發(fā)光效率超過了10％，正在靠近現(xiàn)有LED的約30％。（圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)東京大學(xué)大津研究室的資料制作）

         通過這些技術(shù)開發(fā)，利用CMOS技術(shù)有望使半導(dǎo)體的任意位置成為光源。不僅是光傳輸，還能為顯示器等帶來巨大的影響。

         能否打破1000個(gè)硅光子的集成壁壘

         硅光子要想進(jìn)一步發(fā)展還存在兩大課題。一是，使光元件和光收發(fā)器大幅實(shí)現(xiàn)小型化和低耗電量化的方法。另一個(gè)是，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大容量化的王牌——密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的利用。

         在PECST等的研究成果中，光收發(fā)器的集成度目前有望實(shí)現(xiàn)526個(gè)/cm2，在不久的將來還可能會(huì)實(shí)現(xiàn)1000個(gè)/cm2（圖5）。但再往后，硅光子能否順利增加集成度就不得而知了。NTT特性科學(xué)基礎(chǔ)研究所、NTT納米光子中心中心長(zhǎng)納富雅也表示，“硅光子的集成度存在1cm2約為1000個(gè)的壁壘”。

         這種看法的理由是，構(gòu)成光收發(fā)器的各元件的小型化已經(jīng)到了極限。尺寸小于20μm見方的元件在硅光子中基本無法實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵倏s小元件尺寸的話，漏出的光會(huì)大幅增加，能量損失就會(huì)迅速增加。

         瞄準(zhǔn)芯片上的路徑控制 

         對(duì)于這個(gè)問題，最有效的解決方法是光密封效果高的光子晶體（PhC）技術(shù)。NTT利用化合物半導(dǎo)體制作出光子晶體，開發(fā)了多種主動(dòng)光學(xué)元件（圖10）。目標(biāo)是超越光收發(fā)器，在芯片上實(shí)現(xiàn)采用光存儲(chǔ)器等的主動(dòng)路徑控制及簡(jiǎn)單的信息處理等網(wǎng)絡(luò)。

         本圖為NTT特性科學(xué)基礎(chǔ)研究所正在開發(fā)的、利用化合物半導(dǎo)體光子晶體的光傳輸技術(shù)群。與CMOS兼容技術(shù)相比，所占面積和耗電量均降低了2～3位數(shù)。光RAM等記錄介質(zhì)的開發(fā)也取得了成功。（攝影：NTT）

         作為其核心技術(shù)，目前已經(jīng)開發(fā)出了激光振蕩元件、光開關(guān)及光RAM等，每個(gè)元件的尺寸為5～15μm見方。這樣便能以100萬個(gè)/cm2的密度集成光元件。其中，光開關(guān)的耗電量非常小，只有660aJ/bit，與電信號(hào)相比，有望大幅降低耗電量。該公司就這些技術(shù)表示，“打算2025年前后實(shí)現(xiàn)能貼在微處理器上的智能光網(wǎng)絡(luò)芯片”（納富）。

         現(xiàn)在的光子晶體未采用硅基，因?yàn)楹茈y采用硅基以高效率制作主動(dòng)元件。不過，結(jié)合發(fā)光的鍺和硅等技術(shù)的話，就有可能實(shí)現(xiàn)硅基光子晶體。DWDM可能是最后的課題




         因此，增加光傳輸容量的方法方面，與DWDM相比，近來更重視多級(jí)調(diào)制的光傳輸技術(shù)人員越來越多。

         但也有研究人員認(rèn)為，“相對(duì)于電傳輸，利用DWDM是光傳輸?shù)谋举|(zhì)優(yōu)勢(shì)，必須要推進(jìn)利用DWDM的研究開發(fā)”（東京大學(xué)的和田）。最近，MIT的研究人員還在開發(fā)使波導(dǎo)不依賴于溫度的技術(shù)（圖12）。

         MIT將覆蓋波導(dǎo)硅芯的“包覆”部的一部分換成了樹脂。這樣，波長(zhǎng)對(duì)溫度的依賴性基本就不存在了。

         本圖為MIT開發(fā)的折射率基本不依賴溫度的光波導(dǎo)概要。隨著溫度的上升，硅的折射率會(huì)變大，而樹脂的折射率會(huì)變小。因此，波導(dǎo)的有效折射率基本固定。