“芯基建”-19：发光硅：阿喀琉斯之踵 or 亚当之肋？

我从博士开始一直从事发光材料和器件相关研究，上半导体器件物理课程时会向学生讲解为什么硅不能作为高效发光材料：
 

“半导体材料有为直接和间接带隙之分。前者导带最小值和价带最大值具有相同k值，即电子动量，导带底的电子与价带顶的空穴可以通过辐射复合而发光，复合几率大，发光效率高；而间接带隙半导体的导带最小值和价带最大值的动量值不同，根据动量守恒要求，导带底的电子与价带顶的空穴通过辐射复合发光时必须有声子的参与才能完成，是一个多体互作用过程，发生几率很低，因此发光效率也很低。通常立方相的硅、锗都属于后者。”
 

但是却很少想：如果硅能高效发光，会有什么“杀手锏”应用以及对现在微光电子行业有什么改变呢？
 

首先，能高效发光当然是能作为光源，包括LED，激光器，超辐射发光二极管(SLD)等。如果不考虑量子限制等效应，假设硅从禁带宽度（1.12eV）维持不变，那么硅发光波长为约1.1μm。IV族的C（对应材料金刚石）、Si、Ge均为间接带隙，导带极小值分别在k空间〈100〉方向（金刚石和硅）和〈111〉方向（Ge），而其组成的化合物半导体如SiC，SiGe也均为间接带隙。事实上Ge的能带相比硅，更接近直接带隙：Ge在〈111〉方向的导带极小值只比Γ（000）点低0.18eV，而Si在〈100〉方向极小值和Γ（000）点能级差则高达1.5 eV。如果能调整Si从间接带隙为直接带隙，那么Ge也应该也可以调节为直接带隙高效发光。SixGe1-x合金也应为直接带隙，带边波长可覆盖1.1μm和1.85μm，从而可替代目前光通信用的1.31μm 和1.55μm光源。事实上，后文所述荷兰埃因霍芬理工大学（Eindhoven University of Technology）报道的发光硅也是基于SixGe1-x合金结构。但是在现有的基于GaAs体系的光通信已很成熟，基于SixGe1-x合金光源是否在成本和性能上更具有优势存在疑问。此外，不得不提的是，荷兰埃因霍芬理工大学组在理论上发现纯六方相Si也是间接带隙的。
 

另外，SiC具有高达250多种同素异形态，如3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC等, 目前商业化SiC器件主要是基于4H-SiC，是六方相晶体结构。而金刚石和硅都是金刚石晶体结构，但是Si和C 并没有报道可以形成组分可调的SixC1-x合金？再想到石墨烯为零带隙能带结构，IV族真是神奇！
 

材料发光效率提高是基本，如何在器件上实现呢？SixGe1-x合金有源区也许可以参考InGaN/GaN发光器件结构，Ge和Si分别对应InN和GaN。但是如果Si为有源区的话，可能会稍困难？因为并没有类似AlGaN的SixC1-x材料来配合形成量子阱有源区的垒层，而单纯的异质结因为缺乏对载流子的有效限制而使辐射复合效率不会很高。
 

包括SixGe1-x合金和Si高效光源能有什么“杀手锏”的颠覆性应用呢？首先，作为分立光源器件，应用于光通信等行业，比如1.31μm和1.55μm SixGe1-x光通信光源器件。但是在现有的基于GaAs/InP体系的光通信已较成熟，基于SixGe1-x合金光源是否在成本和性能上更具有优势存在疑问。
 

硅发光器件，主要是在硅基光电子产业上有巨大潜力。近年来，不断缩小的芯片尺寸存在物理极限，漏电流增加、散热问题大等问题难以解决，因此进入“后摩尔定律”时代。硅基光电子技术是延续摩尔定律的发展方向之一。与电子相反，光子没有电阻，没有质量或电荷，因此在材料内部传输时散射较少，不会产生额外热量。通过硅光集成，用光代替电进行信息传输，可以提高通信的速度，降低集成电路的成本。目前已经商用的大规模单片PIC（photonics integrated circuits）采用的是InP材料, 但价格昂贵，且难实现与成熟Si CMOS电路的大规模集成。
 

目前硅光技术在光模块领域落地应用是混合集成方案，即在硅基上同时制造出电子器件和光子器件，将CMOS等电子器件和激光器调制器等有源无源光子器件集成在同一硅片或SOI上。当前，硅基探测器（Ge探测器）、光调制器（SiGe调制器）、光开关、光波导等均已实现突破，而激光器是最大瓶颈。波长在1.55μm的InxGa1-xAsyP1-y材料同Si晶格失配为约8%。而基于发光硅的硅发光器件，则可以使硅光技术从混合集成走向单片集成，从而将激光器同Si CMOS“无缝“嵌入融合，实现片上、片间甚至片内互连，使得计算速度全面提升，推动计算机光互连甚至是光计算的革命。
 

2020年在Nature报道合成发光SixGe1-x合金的荷兰埃因霍温理工大学Erik Bakkers组也在文章（Nature, 2020; 580 (7802): 205）中展望：“Direct-bandgap hex-SiGe opens a pathway towards tight monolithic integration of hex-SiGe light sources with passive cub-Si photonics circuitry on the same chip. This will reduce stray capacitances, thereby increasing performance and reducing energy consumption, which is important for ‘green’ information and communication technologies.”
 

前景看起来“很香”，道路依然艰辛。目前大致有六边形Si和SiGe合金纳米线（以荷兰埃因霍温理工大学Erik Bakkers组为代表）、Si量子点、多孔硅、Si/Ge超晶格、应变Si/Ge、稀土元素掺杂等技术途径探索实现硅发光。荷兰阿姆斯特丹大学Gregorkiewicz教授预测Si量子点缩小到2nm以下可以由间接带隙变为直接带隙，而中科院半导体所骆军委研究员则用现代纳米计算技术推翻了Si量子点可成为直接带隙发光的发现。稀土掺杂硅则存在稀土掺杂浓度低，发光温度淬灭，非辐射复合概率大，载流子复合寿命长导致调制速率低（这个问题对于光通信用激光器，几乎是致命的）等问题。
 

前述荷兰埃因霍温理工大学Erik Bakkers组通过生长GaAs/Ge核壳结构为模版，进一步得到了六边形Si和SiGe合金。此工作应该是代表了Si发光最前沿和最新的进展。通过实验测得的辐射复合系数为 0.7×10?10cm3 s?1 < Brad < 8.3×10?10 cm3 s?1，也确实是比较高。InGaN基LED大概也在-10，-11次方量级。
 

但是从实验测试结果可以看出，Ge和SiGe合金的内量子效率还是很低的，SiGe合金比Ge就低更多。从4K低温和室温的低激发光功率密度下光致发光实验结果来看，Ge和Si0.2Ge0.8的内量子效率约为10%和0.1%。作者并没有报道所得到六边形Si的发光性质，应该六边形Si是确实不能高效发光的。因此，高效发光Ge及器件会率先突破实现，如果技术继续向前发展突破的话。
 

总之，高效发光硅，在理论实验及材料器件应用等方面都还处在初级研发探索阶段。路漫漫其修远兮。

图1 （左）立方Si，六方Si，立方Ge，六方Ge的能带图，前三者均为间接带隙，而六方Ge为直接带隙结构；（右）实验六方Ge（红）和六方Si0.20 Ge0.80（蓝）的变温光致发光。（Nature, 2020; 580 (7802): 205）。
 

阿喀琉斯之踵和亚当之肋的故事大家应该比较熟悉，和高效硅发光的研究联想下，有点意思。
 

硅已经足够优秀和卓越，甚至可以说接近完美了，当然不是绝对完美。绝对完美的人和物都不存在。硅是毫无争议当下信息时代的材料基石，类似特洛伊战争中全身刀枪不入，诸神难侵（当然除了脚踵）的阿喀琉斯。阿喀琉斯没能逃脱命运女神的预言，在特洛伊战争中被敌人一箭射中全身唯一没有被冥河水浸泡过的“死穴”—脚踵部位而死去，这就是所谓阿喀琉斯之踵（Achilles' Heel）的由来。
 

不能高效发光会不会成为阻碍硅延续摩尔定律的“阿喀琉斯之踵”呢？
 

我想应该不会。延续摩尔定律，学术和产业界先进制程工艺及材料器件、芯片架构、先进封装、异质集成等方面进行了诸多努力，并且多有进展。即使在发光硅可能有杀手锏应用的“硅光”领域，业界公司如Intel，刚被Marvell收购的 Inphi, Luxtera，SiFotonics等开足马力，进展迅速。而基于高效发光硅的研究目前还限于少数实验室，且还在非常初级的基础研究探索阶段，离材料器件成熟及落地应用尚有太多的鸿沟需要跨越。
 

倒是觉得发光硅同“亚当之肋”有点像。硅就像上帝赠送给人类的接近完美的礼物“亚当”（神按照自己的形象而造），草木茂盛，物产丰富的伊甸园则是我们所处的日新月异的电子信息社会。但是高效发光这个“肋骨”被取出来了，所造“夏娃”就是以GaAs，InP和GaN等为代表的新一代半导体：他们都是直接带隙，都能高效发光，并且通过调节组分，带边波长可以覆盖从远红外到深紫外的很宽范围，目前在半导体照明、光通信、显示等领域诸多应用，是硅不能高效发光的遗憾的弥补，也是硅基集成电路的不可缺少协作和补充—很美丽的夏娃啊！当然后续亚当夏娃受蛇诱惑，偷食禁果，被逐伊甸园自当另说。
 

GaAs，InP，GaN等新一代半导体在不限于光源器件的很多方面有非常重要应用，但是硅基集成电路在可预见的未来是很难被取代的。
 

硅作为信息时代的准完美男神，少根肋骨，其实没啥大不了？少了根肋骨，却多了美丽的夏娃。