硅发光了！答案就在新型硅锗合金里

随着信息技术的发展，摩尔定律已经被反复传输，并将很快失效，因为现有的电气互联不能满足高传输容量、低功耗和高密度信息互联的要求。用光链路取代芯片间的电信息互连是一种必然趋势。

目前，几乎所有硅基光电子器件都已研制成功。只有高效光源还没有一个好的解决方案，因此它已经成为光电子集成领域的必备之物。

最近，荷兰英荷芬科技大学的科研小组开发了一种可以发光的硅锗合金。研究结果发表在《自然》杂志上。这种新材料可以为硅基光源开辟一条新的途径。目前，该团队正在利用它来制造一种硅基激光器，这种激光器可以集成到现有的芯片中。

最后的圣杯

20世纪，硅对人类世界产生了巨大影响，并通过半导体集成电路成为现代信息产业发展的基石。自创建以来，电子芯片一直遵循摩尔定律集成发展路线，即每18-24个月，单位面积集成电路上可容纳的元件数量将增加一倍，性能也将增加一倍。然而，在20世纪90年代，芯片集成的速度开始放缓，甚至停滞不前。

随着信息数据的爆炸式增长，为了满足大容量和高速传输的需求，晶体管特征尺寸不断减小，电互连面临信号延迟大、传输带宽小、信号串扰大、功耗大、处理困难、成本高等限制。，这促使我们寻求新的技术方法。

这时，硅基光子芯片诞生了。硅基光子芯片具有体积小、功耗低、成本低和电子芯片集成度高等特点。同时，它们吸收了光子芯片多通道、极高带宽、超快传输速率和高抗干扰能力的优点，能够满足未来芯片进一步发展的要求。

所谓硅基光子技术是指利用硅和硅基衬底材料作为光学介质，通过集成电路技术制作相应的光子器件和光电器件，并利用这些器件产生、处理、操纵和探测光子，从而实现其在光通信、光互连、光传感、光计算等领域的实际应用。未来，它将在5G通信、高性能超级计算机、大型数据中心、激光雷达、量子计算、智能芯片等领域发挥重要作用。

4月11日，由中国科学家团队领导、来自美国麻省理工学院的光子芯片公司习之科技刚刚完成了2600万美元的融资，成为全球融资金额最高的光子计算初创公司。在过去的两年里，为了给机器智能提供更强大的计算能力，基于硅光子技术的光子计算越来越受到人们的关注。

然而，这些应用程序似乎更像是热门的“话题”，市场上没有真正的“杀手”应用程序需求和场景。

清华大学电子工程系的宁存政教授指出，要真正利用硅基光子技术实现光电集成，还有两大问题没有解决。

首先，传统的光子材料很难与硅和CMOS工艺兼容，硅衬底上缺乏高效光源已经成为光电“手拉手”的天然缺口。因此，硅基高效光源也被认为是硅基光电子领域最后的“圣杯”。

其次，传统光子器件的尺寸太大。如何将光子器件缩小到电子器件的尺寸也是实现光电集成芯片的一大障碍。在这方面，有一个宁*的形象比喻:传统的光子设备相当于600-700米高的摩天大楼，而电子设备相当于摩天大楼旁边的一个小板凳，两者之间相差三个数量级。

对于介于理想和现实之间的两座山，科学家和企业研发团队都没有成熟独特的技能。宁存政将当前硅基光子技术领域描述为“百家争鸣，百花齐放，各种技术途径并存的时代”

能发光的六角硅锗合金

由英霍夫科技大学的埃里克·贝克斯领导的研究小组首次实现了一种新的硅锗合金发光材料，并正在制造一种可以集成到现有芯片中的硅基激光器。他们所寻找的是硅基光电集成芯片——硅基高效光源最重要的“难题”。

研究小组用什么方法让硅材料发光？

半导体材料可分为直接带隙材料和间接带隙材料。直接带隙半导体材料的最小导带值和最大价带值具有相同的电子动量，导带底部的电子和价带顶部的空穴可以通过辐射复合发光，复合几率大，发光效率高；然而，间接带隙半导体材料的导带最小值和价带最大值具有不同的动量值。根据动量守恒的要求，当导带底部的电子和价带顶部的空穴通过辐射复合发光时，需要声子的参与，因此这是一个发生几率低、发光效率低的多体相互作用过程。通常立方硅和锗属于后者。

然而，物理学家已经提出，将硅晶格的形状从立方体结构改变为六边形结构以及能带结构的改变可能使这些材料成为有效的发光材料。

经过十几年的研究，英荷芬理工大学的团队发现，虽然六边形硅仍然是间接带隙，但六边形锗材料确实成为直接带隙，而且一定成分的硅锗合金也可以成为直接带隙，因此发光效率将大大提高。得到这种材料不容易。

中国科学院半导体研究所的研究员程步文说，硅、锗、锗、硅和其他材料都是天然的金刚石结构材料。为了实现六方结构，必须采用非常规方法。虽然人们可以利用VLS生长纳米硅线、应变、激光微晶沉积等方法制备六方硅材料，但很难控制其晶相和保持结构的稳定性。

“2015年，研究小组提出了一种制备六角硅材料的新方法。他们使用由金催化的VLS生长的磷化镓纳米线作为模板来生长硅壳结构，并获得六边形硅材料。这项研究是基于他们以前的工作，并采用类似的方法生长六边形锗和锗硅材料使用砷化镓(GaAs)纳米线的模板由VLS生长。转换模板材料的原因是使外延锗和硅锗材料与模板材料的晶格常数更加匹配。”

贝克斯说:“目前，我们已经实现了与磷化铟和砷化镓几乎相同的光学特性，材料质量也在逐步提高。如果一切顺利，硅基激光器可以在2020年内制造出来。这将实现主要电子平台上光学功能的紧密集成，为基于光谱学的芯片光学通信和廉价化学传感器带来新的前景。”

在硅基光电芯片“爆发”前夕

早在多年前，从事纳米半导体激光研究的宁存正就应邀参观了埃因霍温理工大学的研究团队。他告诉《中国科学报》，从材料科学的角度来看，六方硅锗合金的制备和高效发光的实验验证是非常重要的研究进展。其次，必须解决如何在硅衬底上生长高质量六方硅锗合金的问题，这是真正的硅基发光材料。

“现在报道的新材料不是在硅衬底上实现的，而是基于GaAs的化合物半导体衬底。然而，由于世界上已经有许多组砷化镓纳米线可以在硅衬底上生长，下一个自然步骤是首先在硅衬底上生长砷化镓纳米线模板，然后通过本文报道的方法生长硅锗纳米壳。”大韩民国*强调。

目前，除了六方硅锗合金直接带隙发光的新技术路线外，国际上还有几种实现硅基光源的方法:硅纳米结构发光；稀土掺杂硅材料发光；硅基锗和锗-锡和锗-铅直接带隙材料发光；硅基化合物半导体材料的发光

文章解释说，前两种基于硅，与CMOS工艺兼容性最好，但直接带隙材料目前还不能实现，所以很难实现激光器。

锗的准直接带隙结构使其具有比硅更高的发光效率，并通过应变、掺杂等进一步提高其发光效率。锗锡和锗铅合金材料与CMOS工艺兼容，当锡和铅的成分合适时，可以实现直接带隙，是一条很有前途的研究路线。现在光泵浦激光器已经实现，人们正在努力实现电泵浦激光器。然而，主要困难在于高质量直接带隙材料的生长困难。有望在5年内实现电注入激光器。”

“硅基化合物半导体激光器已经实现，键合结构激光器已经在少数应用中使用，外延硅基化合物半导体激光器也取得了良好的进展，但是由于它们与CMOS工艺的不良兼容性，它们还没有被使用，”程说。

事实上，除了硅基光源，SOI波导，调制器，光开关，探测器等。硅基光电集成系统已经相继实现。硅基光子芯片中的其他关键光电器件也已经开发出来。部分国产设备已达到国际先进水平。

因此，一旦硅基光电集成的核心要素被突破，硅基光电的时代将真正到来。目前，硅基光电芯片的发展正处于爆发的前夕。

不过，宁存正也坦言，国内硅基光电技术的整体研究规模和产业规模都非常有限，尤其是集成技术极强的硅基发光器件的研发能力远未达到国际水平，迫切需要依靠足够的投资来推动这一领域的发展。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2150-y

https://doi.org/10.1360/N092017-00005