讓硅發(fā)光強(qiáng)度提高超十倍！MIT實(shí)現(xiàn)全硅基芯片間高速光通信

  讓硅發(fā)光強(qiáng)度提高超十倍！MIT實(shí)現(xiàn)全硅基芯片間高速光通信

  當(dāng)晶體管小到無(wú)法再縮小、單位面積電子芯片的性能難再提升，當(dāng)摩爾定律失效將成事實(shí)，人們不再執(zhí)著于單純提升電子芯片的時(shí)鐘速度和傳輸帶寬，轉(zhuǎn)而嘗試將光與電的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，以期收獲 1+1>2 的效果。

  作為一種使用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，硅在微電子、傳感和光伏領(lǐng)域幾近全能，從手機(jī)、電腦里最基礎(chǔ)的 CPU、GPU、內(nèi)存閃存，到絕大多數(shù)消費(fèi)電子產(chǎn)品的攝像感光元件，再到新能源領(lǐng)域舉足輕重的光伏電池等都被它所壟斷。但硅唯獨(dú)欠缺獨(dú)立發(fā)光能力，這致使光電半導(dǎo)體器件只能用其他材料替代。如幾乎所有的 LED 固態(tài)照明裝備、LCD 顯示屏的背光、及代表未來(lái)平面顯示技術(shù)的 micro-LED 陣列，均是基于 III-V 族半導(dǎo)體的氮化鎵。

(來(lái)源：Pixabay)

  III-V 族材料發(fā)光性能一流，但由于材料與制造工藝的巨大差異，將 III-V 族材料制成的 LED 或者微型半導(dǎo)體激光器和硅基芯片結(jié)合到一起需要非常多額外的工序、封裝以及互聯(lián)方案，這大大增加了芯片或者模塊的制造成本，降低了集成度和可靠性，且增加了數(shù)據(jù)延遲。

  近期，在提高硅的電致發(fā)光亮度與速度以及在商用微電子芯片內(nèi)部直接實(shí)現(xiàn)全硅基光電融合上，麻省理工學(xué)院 RLE 實(shí)驗(yàn)室 (the Research Laboratory of Electronics) 博士生薛今聯(lián)合半導(dǎo)體廠商格羅方德的合作研究人員取得突破性進(jìn)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(xué)傳感與探測(cè)提供了全新的可能性。

  他們?cè)O(shè)計(jì)了一種微米級(jí)大小正向偏置全硅基 LED，在完全集成于 55 納米制程商用 CMOS 微電子芯片(無(wú)任何實(shí)驗(yàn)室處理)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了低電壓、高速高亮的近紅外發(fā)光，其發(fā)光強(qiáng)度和調(diào)制解調(diào)速度可同時(shí)達(dá)到此前類似器件實(shí)驗(yàn)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(dú)開發(fā)的單光子雪崩二極管以及其他微電子器件全部集成于單塊硅芯片，并首次概念性演示了基于光纖傳輸?shù)娜杌酒叫酒母咚俟馔ㄐ?。該?xiàng)研究在 2020 年 12 月的 IEDM(International Electron Devices Meeting，即 IEEE 國(guó)際電子器件大會(huì))會(huì)議上進(jìn)行了介紹，并在 IEEE Transactions on Electron Devices 上進(jìn)一步發(fā)表。

  在薛今看來(lái)，硅作為一種最重要的半導(dǎo)體在發(fā)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(xiàn)，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?yàn)?，“硅具有?yōu)異的感光性質(zhì)，單純從熱力學(xué)可逆性的角度上來(lái)說(shuō)，獲得類似的發(fā)光性能并非絕無(wú)可能?！?

  通常條件下硅幾乎無(wú)法發(fā)光，那就創(chuàng)造特殊條件讓它發(fā)光

  在出發(fā) “搜圖” 之前，薛今像眾多研究者一樣對(duì) “硅發(fā)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(diǎn)等。

  其實(shí)，早在二十世紀(jì)八十年代末期，研究人員就已經(jīng)預(yù)測(cè)到了硅基發(fā)光器件的巨大潛力，并提出了全硅基光電融合的設(shè)想。在那之后的二三十年里，全世界掀起了一股開發(fā)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(zhì)，研究人員提出了納米晶體量子約束、錫鍺合金改變能帶結(jié)構(gòu)、參雜稀土元素、制造特殊缺陷的能級(jí)躍遷直接改變晶體結(jié)構(gòu)、利用雪崩效應(yīng)發(fā)光等方案，但每種方案在帶來(lái)一方面進(jìn)步的同時(shí)都在另一方面存在難以克服的障礙。以至于迄今為止高效、高亮的硅基發(fā)光器件都未能實(shí)現(xiàn)。

  薛今在他的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，業(yè)內(nèi)此前的研究過(guò)于強(qiáng)調(diào)直接從硅的間接帶隙性質(zhì)進(jìn)行突破，而忽略了其他的策略 —— 如繞開間接帶隙性質(zhì)這一障礙轉(zhuǎn)而去控制其他限制電致發(fā)光的本質(zhì)因素。

  他告訴 DeepTech：“半導(dǎo)體發(fā)光現(xiàn)象的本質(zhì)其實(shí)是內(nèi)部各種載流子復(fù)合機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)。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(fā)光，而其余的都是發(fā)熱。既然間接帶隙這一固有性質(zhì)使得硅的發(fā)光道路特別崎嶇難走，那就想辦法掐斷其他所有讓他不發(fā)光的道路。譬如，減少載流子在不理想的材料表面復(fù)合并產(chǎn)生聲子(發(fā)熱)的可能性?！?

  所以，為了實(shí)現(xiàn)硅的高發(fā)光率，薛今利用新的器件設(shè)計(jì)方案把載流子引入、并約束在高質(zhì)量介面內(nèi)部，最大程度上抑制載流子復(fù)合成聲子發(fā)熱的可能性，為硅營(yíng)造了一個(gè)電子直達(dá)其 “內(nèi)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(tài)下)右(通電狀態(tài)下)，用普通的 CMOS 相機(jī)拍攝所得

  經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，在室溫環(huán)境下薛今設(shè)計(jì)的硅基 LED 在 2.5 伏特以下，芯片外部發(fā)光強(qiáng)度可以穩(wěn)定達(dá)到 40mW/c㎡以上。這一亮度已遠(yuǎn)超過(guò)一般手機(jī)屏幕或者家用顯示器電視的最大亮度。這種更高的發(fā)光性能將有助于硅在微電子領(lǐng)域的光通信、光傳感等方面發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

圖|各種硅 LED 的發(fā)射強(qiáng)度與工作正向電壓的關(guān)系(4 微米直徑 LED 的強(qiáng)度與偏置電壓的關(guān)系)

  并且，在未來(lái)微電子和光電器件趨小的發(fā)展走勢(shì)下，薛今說(shuō)，微型硅基 LED 將展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。

  他在研究中發(fā)現(xiàn)，所有微型半導(dǎo)體發(fā)光器件的效率均正相關(guān)于核心載流子復(fù)合區(qū)域的體積與表面積的比值，且同時(shí)正相關(guān)于該區(qū)域的介面表面性質(zhì)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是無(wú)論哪一種半導(dǎo)體所制成的發(fā)光器件，體積越小則效率必然越低，另外材料的介面性質(zhì)不佳也會(huì)使效率成倍變差。

  最近的研究表明，III-V 族半導(dǎo)體在縮小到一微米及以下時(shí)，幾乎變得和硅一樣難以在常溫下電致發(fā)光。薛今說(shuō)，“III-V 族半導(dǎo)體的介面性質(zhì)很難處理好，只不過(guò)現(xiàn)有的發(fā)光器件體積都很大，基本都是毫米級(jí)別，問(wèn)題尚未顯現(xiàn)。但若未來(lái)順應(yīng)高度集成化的需求將器件進(jìn)一步微型化，這一缺陷就會(huì)越發(fā)凸顯。然而，對(duì)于硅來(lái)說(shuō)，器件越小相當(dāng)于其他半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)就越大。因?yàn)?，一些特殊制備的氧化硅、氮化硅介面的表面性質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他半導(dǎo)體，若對(duì)這一性質(zhì)利用得當(dāng)?shù)脑?約束載流子復(fù)合)硅基微型發(fā)光器件將扳回一城?！?

  將為光電集成應(yīng)用帶來(lái)全新解決思路

  受限于硅幾近于無(wú)的發(fā)光能力，目前使用的 LED 以及半導(dǎo)體激光器多基于 III-V 族元素，這在許多依賴于硅的高度集成解決方案里(譬如硅基光子集成回路、主動(dòng)光電傳感器等)屬于無(wú)可奈何的 “妥協(xié)”。

  而把可單獨(dú)自調(diào)制的硅基微型發(fā)光器件陣列直接集成到傳統(tǒng)的數(shù)字 / 模擬 / 感光芯片上，不再需要額外 “粘貼” 任何 III-V 族半導(dǎo)體或者參雜稀土元素，不同材料帶來(lái)的問(wèn)題也就不再存在，這將為未來(lái)的光電集成應(yīng)用帶來(lái)全新的解決思路。

  其中一個(gè)重要應(yīng)用是光互連。目前微電子芯片計(jì)算架構(gòu)的速度瓶頸其實(shí)主要是芯片之間以及內(nèi)部基于電子的信息傳輸速度，而非時(shí)鐘頻率。受限于能耗和發(fā)熱等因素，現(xiàn)在使用金屬互連的通信帶寬(如 CPU 與內(nèi)存之間、GPU 與顯存之間)很難超過(guò) 1Tbps，學(xué)界和前沿業(yè)界認(rèn)為光互連(optical interconnect)將會(huì)取而代之，并帶來(lái)一場(chǎng)計(jì)算架構(gòu)的全新革命。目前，基于這一理念設(shè)計(jì)的高速光通訊模塊已經(jīng)在谷歌等大型數(shù)據(jù)中心得到應(yīng)用，Intel 等傳統(tǒng)半導(dǎo)體廠商在這一技術(shù)上也有布局。

  但目前的光互連、光計(jì)算解決方案仍采用獨(dú)立的 III-V 族半導(dǎo)體激光器，作為光源進(jìn)行外部調(diào)制。當(dāng)作為最理想的集成光源 —— 自調(diào)制微型硅基發(fā)光器件加入，將有可能改變這一格局。

  “設(shè)想一塊類似于 CMOS 感光器件的大型硅基光源陣列，完全集成于模擬驅(qū)動(dòng)模塊和邏輯處理模塊，并且無(wú)需外部調(diào)制，這將使得光互連的通信帶寬或是光子計(jì)算的并行速度輕松提高成百數(shù)千倍，同時(shí)降低功耗并縮小芯片面積。這對(duì)將來(lái)的高性能計(jì)算架構(gòu)有很大意義。另一方面，與商用 CMOS 微電子制程的高度集成將使其有機(jī)會(huì)走入千家萬(wàn)戶，而非永遠(yuǎn)停留在科研上”，當(dāng)然，薛今也表示，前景可觀，但要達(dá)到這一程度的系統(tǒng)集成還有很多工作要做。

  對(duì)此，薛今及其合作者也進(jìn)行了嘗試，他們將全新設(shè)計(jì)的 micro-LED 和另外開發(fā)的單光子雪崩二極管以及其他微電子器件全部集成于單塊商用硅芯片，并首次概念性地演示了基于光纖傳輸?shù)娜杌酒叫酒母咚俟馔ㄐ?。在初步?yàn)證中達(dá)到單個(gè)硅基 micro-LED 的調(diào)制解調(diào)速度達(dá)到了 250MHz，芯片間單信道光通信為 10MHz。薛今也強(qiáng)調(diào)，這一速度仍受限于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)備，而非器件本身的瓶頸。

圖|信息傳輸測(cè)試

  此外值得注意的一點(diǎn)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(yè)界成熟投產(chǎn)的微電子芯片制程(55 納米)上完成，這表明，他們的設(shè)計(jì)方案達(dá)到的效果并非苛刻實(shí)驗(yàn)條件下產(chǎn)生的效果，是離實(shí)際應(yīng)用更近的現(xiàn)實(shí)解決思路。

  也就是說(shuō)，硅的發(fā)光能力提高后，COMS LED 的集成將不再需要額外制作的高昂成本，到那時(shí)硅光技術(shù)將可以用在更多方面。

  薛今舉例說(shuō)道，比如現(xiàn)在最新的 iPhone 里面只有價(jià)格最高的機(jī)型中采用了激光雷達(dá)技術(shù)(Lidar)。這就是因?yàn)槟壳凹す饫走_(dá)中光源陣列的發(fā)光元件是 III-V 族半導(dǎo)體砷化鎵，而其他驅(qū)動(dòng)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(dá)成本高昂的原因。這也使得目前該模塊體積較大，而且受限于光源陣列的大小，精度也一般。

  而當(dāng)發(fā)光元件也是硅的時(shí)候，光源陣列、感光陣列、驅(qū)動(dòng)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(dá)到更高的分辨率和精度。到那時(shí)，不僅 iPhone 所有機(jī)型都可以用激光雷達(dá)，甚至所有的智能家電都可以使用這一技術(shù)。

  在薛今的本次成果中，硅基發(fā)光的性能雖比以往有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但尚不足以挑戰(zhàn)業(yè)已成熟的 III-V 族半導(dǎo)體。不過(guò)，薛今及其合作者表示，他們已通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，未來(lái)微型化的硅基半導(dǎo)體發(fā)光器件將有可能達(dá)到甚至超過(guò)現(xiàn)有 III-V 族半導(dǎo)體器件在類似條件下的性能。

  從興趣和不解出發(fā)，探究阻礙硅發(fā)光的秘密

  說(shuō)到對(duì)硅在發(fā)光方向上的研究，薛今說(shuō) “這是很自然的事情”。

圖|薛今(來(lái)源：受訪者提供)

  他出生于江蘇常州，曾就讀于江蘇常州高級(jí)中學(xué)。高二時(shí)他獲得了新加坡政府獎(jiǎng)學(xué)金，并赴新完成了本科學(xué)業(yè)。

  2012 年，薛今獲得南洋理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)士學(xué)位，并取得新加坡最高的國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金，次年前往 MIT 電子工程與電腦科學(xué)系攻讀碩士和博士。今年春天即將畢業(yè)。

  從本科最開始接觸光纖激光、到在 MIT 研究光電半導(dǎo)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(dǎo)體發(fā)光效率超過(guò) 100% 的可能性(即直接從空氣中吸熱發(fā)光)，并嘗試為光電半導(dǎo)體器件構(gòu)建一個(gè)基于熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的理論框架，希望從不同視角帶來(lái)全新的認(rèn)知。由此便延伸到硅的發(fā)光上，就像前文提到的，“(根據(jù)熱力學(xué)的可逆性)硅是一個(gè)很好的光的探測(cè)器，它既然可以很好地吸收光，為什么不能發(fā)出光?” 這一好奇開始，薛今從硅基光電結(jié)合領(lǐng)域的研究出發(fā)，一步一步探究阻礙硅發(fā)光背后的原因。

  現(xiàn)在，薛今已經(jīng)用他的方法解決了自己的疑問(wèn)，也在全硅基集成發(fā)光上做好了規(guī)劃。

  接下來(lái)，他將進(jìn)一步探索集成光學(xué)腔以實(shí)現(xiàn)微型硅基激光器的可能性，以及硅光子系統(tǒng)集成的驗(yàn)證，希望硅能夠發(fā)出更亮的光、達(dá)到更高的效率，實(shí)現(xiàn)芯片之間甚至內(nèi)部更高速的信息傳輸，應(yīng)用在實(shí)際中如面部識(shí)別將更快速、更精準(zhǔn)等。

       原創(chuàng)： 趙欣