2013/05/07 00:00
【日經(jīng)BP社報道】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(kāi)發(fā)的光收發(fā)器的發(fā)光元件都無(wú)法與硅和CMOS兼容，因此要粘貼采用化合物半導體的發(fā)光元件。實(shí)現與CMOS兼容的發(fā)光元件可以說(shuō)是硅光子技術(shù)的“夙愿”。
現在，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構為間接遷移型*的半導體，因此一直被認為基本不發(fā)光。但在最近一兩年，這個(gè)“常識”被打破，已經(jīng)能夠看到利用鍺和硅實(shí)現發(fā)光元件的希望（圖8）。
圖8：CMOS兼容的光源終于要成為現實(shí)
本圖為可利用最近開(kāi)發(fā)的CMOS兼容技術(shù)制作的發(fā)光元件。MIT通過(guò)注入電流成功使Ge-on-Si元件實(shí)現了激光振蕩（a）。日立制作所和東京大學(xué)荒川研究室也通過(guò)電流注入技術(shù)成功使Ge-on-Si元件實(shí)現了發(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)現了高效率發(fā)光（c）。實(shí)現了多種波長(cháng)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＝根據波數和電子能量分析半導體的能帶結構時(shí)，價(jià)帶中能量最大的波數與導帶中能量最小的波數各不相同。波數是與動(dòng)量有關(guān)的物理量，因此即使想把導帶的電子遷移到價(jià)帶中，一般來(lái)說(shuō)，不符合動(dòng)量守恒定律就無(wú)法遷移，也就是說(shuō)無(wú)法發(fā)光。能發(fā)光的能帶結構被稱(chēng)為直接遷移型。
打破這個(gè)常識的研究單位之一就是美國麻省理工學(xué)院（MIT）。MIT于2010年通過(guò)光激發(fā)使鍺發(fā)光，2012年通過(guò)注入電流，成功使鍺實(shí)現了激光振蕩。
成功的秘訣是對鍺進(jìn)行高濃度n型摻雜，將其能帶結構變成直接遷移型。目前的摻雜濃度為4×1019個(gè)/cm3，對于半導體來(lái)說(shuō)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，如果能達到1020個(gè)/cm3以上的摻雜，就能實(shí)現與化合物半導體相當的發(fā)光增益。硅光子全部能利用（硅和鍺等）IV族材料實(shí)現”。
日立制作所和東京大學(xué)荒川研究室也實(shí)現了鍺發(fā)光。日立制作所到2年前為止一直在進(jìn)行通過(guò)量子效果使硅發(fā)光的研究，之后開(kāi)始研究鍺。同樣是利用高濃度的n型摻雜鍺，在此基礎上通過(guò)SiN對鍺施加應變，并已確認這種方法可以提高發(fā)光強度。
硅發(fā)光取得進(jìn)展
另外，還出現了使硅光子的主角——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(cháng)大津元一的研發(fā)小組2011年發(fā)現硅可以發(fā)光。
據介紹，為硅通電，然后邊照射電磁波邊進(jìn)行p型摻雜的話(huà)，就會(huì )開(kāi)始受激發(fā)射。已確認利用該材料制作的硅LED能夠發(fā)光注5）。
注5） 發(fā)光波長(cháng)為1.1～1.5μm，能在大帶寬內發(fā)光。
通過(guò)不斷優(yōu)化元件，目前紅外光硅LED的外部量子效率超過(guò)了10％（圖9）。作為才開(kāi)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(guò)紅外光激光振蕩的元件，以及可通過(guò)紅色光、綠色光、藍色光等發(fā)光的硅LED。大津表示，計劃使可用于硅光子的紅外激光2015年達到10％的效率。
圖9：實(shí)現與現有LED接近的發(fā)光效率
本圖為東京大學(xué)大津研究室正在開(kāi)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(guò)了10％，正在靠近現有LED的約30％。（圖由《日經(jīng)電子》根據東京大學(xué)大津研究室的資料制作）
通過(guò)這些技術(shù)開(kāi)發(fā)，利用CMOS技術(shù)有望使半導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(lái)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)現小型化和低耗電量化的方法。另一個(gè)是，進(jìn)一步實(shí)現大容量化的王牌——密集波分復用（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526個(gè)/cm2，在不久的將來(lái)還可能會(huì )實(shí)現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)基礎研究所、NTT納米光子中心中心長(cháng)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(jiàn)方的元件在硅光子中基本無(wú)法實(shí)現。因為再縮小元件尺寸的話(huà)，漏出的光會(huì )大幅增加，能量損失就會(huì )迅速增加。
瞄準芯片上的路徑控制
對于這個(gè)問(wèn)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利用化合物半導體制作出光子晶體，開(kāi)發(fā)了多種主動(dòng)光學(xué)元件（圖10）。目標是超越光收發(fā)器，在芯片上實(shí)現采用光存儲器等的主動(dòng)路徑控制及簡(jiǎn)單的信息處理等網(wǎng)絡(luò )。
圖10：利用化合物半導體光子結晶實(shí)現大規模光集成電路
本圖為NTT特性科學(xué)基礎研究所正在開(kāi)發(fā)的、利用化合物半導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。光RAM等記錄介質(zhì)的開(kāi)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(kāi)發(fā)出了激光振蕩元件、光開(kāi)關(guān)及光RAM等，每個(gè)元件的尺寸為5～15μm見(jiàn)方。這樣便能以100萬(wàn)個(gè)/cm2的密度集成光元件。其中，光開(kāi)關(guān)的耗電量非常小，只有660aJ/bit，與電信號相比，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)現能貼在微處理器上的智能光網(wǎng)絡(luò )芯片”（納富）。
現在的光子晶體未采用硅基，因為很難采用硅基以高效率制作主動(dòng)元件。不過(guò)，結合發(fā)光的鍺和硅等技術(shù)的話(huà)，就有可能實(shí)現硅基光子晶體。
DWDM可能是最后的課題
圖11：是采用波分復用（WDM）還是采用光多級調制
波分復用（WDM）技術(shù)和光多級調制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和課題的比較。WDM的一大課題是耐溫度變化性較弱，而光多級調制存在電路規模和元件成本增大的課題。
另一個(gè)課題是DWDM，以數十Tbps/cm2進(jìn)行硅光子光傳輸可能需要DWDM。該技術(shù)早在15年前就已普遍用于長(cháng)距離通信用設備等，但用于硅光子則非常難。其中一個(gè)原因是，各個(gè)光元件發(fā)出的光的波長(cháng)以及通過(guò)波導的光的波長(cháng)因溫度變化存在巨大偏差（圖11）。將長(cháng)距離通信設備使用的溫度控制功能用于硅光子技術(shù)的成本過(guò)高，不現實(shí)。
因此，增加光傳輸容量的方法方面，與DWDM相比，近來(lái)更重視多級調制的光傳輸技術(shù)人員越來(lái)越多。
但也有研究人員認為，“相對于電傳輸，利用DWDM是光傳輸的本質(zhì)優(yōu)勢，必須要推進(jìn)利用DWDM的研究開(kāi)發(fā)”（東京大學(xué)的和田）。最近，MIT的研究人員還在開(kāi)發(fā)使波導不依賴(lài)于溫度的技術(shù)（圖12）。
MIT將覆蓋波導硅芯的“包覆”部的一部分換成了樹(shù)脂。這樣，波長(cháng)對溫度的依賴(lài)性基本就不存在了。（全文完，記者：野澤 哲生，《日經(jīng)電子》）
圖12：還實(shí)現了折射率不依賴(lài)溫度的硅波導
本圖為MIT開(kāi)發(fā)的折射率基本不依賴(lài)溫度的光波導概要。隨著(zhù)溫度的上升，硅的折射率會(huì )變大，而樹(shù)脂的折射率會(huì )變小。因此，波導的有效折射率基本固定。（圖由《日經(jīng)電子》根據MIT的Vivek Raghunathan的資料制作）
