我從博士開始一直從事發(fā)光材料和器件相關(guān)研究，上半導(dǎo)體器件物理課程時(shí)會向?qū)W生講解為什么硅不能作為高效發(fā)光材料：
 

“半導(dǎo)體材料有為直接和間接帶隙之分。前者導(dǎo)帶最小值和價(jià)帶最大值具有相同k值，即電子動量，導(dǎo)帶底的電子與價(jià)帶頂?shù)目昭梢酝ㄟ^輻射復(fù)合而發(fā)光，復(fù)合幾率大，發(fā)光效率高；而間接帶隙半導(dǎo)體的導(dǎo)帶最小值和價(jià)帶最大值的動量值不同，根據(jù)動量守恒要求，導(dǎo)帶底的電子與價(jià)帶頂?shù)目昭ㄍㄟ^輻射復(fù)合發(fā)光時(shí)必須有聲子的參與才能完成，是一個(gè)多體互作用過程，發(fā)生幾率很低，因此發(fā)光效率也很低。通常立方相的硅、鍺都屬于后者。”
 

但是卻很少想：如果硅能高效發(fā)光，會有什么“殺手锏”應(yīng)用以及對現(xiàn)在微光電子行業(yè)有什么改變呢？
 

首先，能高效發(fā)光當(dāng)然是能作為光源，包括LED，激光器，超輻射發(fā)光二極管(SLD)等。如果不考慮量子限制等效應(yīng)，假設(shè)硅從禁帶寬度（1.12eV）維持不變，那么硅發(fā)光波長為約1.1μm。IV族的C（對應(yīng)材料金剛石）、Si、Ge均為間接帶隙，導(dǎo)帶極小值分別在k空間〈100〉方向（金剛石和硅）和〈111〉方向（Ge），而其組成的化合物半導(dǎo)體如SiC，SiGe也均為間接帶隙。事實(shí)上Ge的能帶相比硅，更接近直接帶隙：Ge在〈111〉方向的導(dǎo)帶極小值只比Γ（000）點(diǎn)低0.18eV，而Si在〈100〉方向極小值和Γ（000）點(diǎn)能級差則高達(dá)1.5 eV。如果能調(diào)整Si從間接帶隙為直接帶隙，那么Ge也應(yīng)該也可以調(diào)節(jié)為直接帶隙高效發(fā)光。SixGe1-x合金也應(yīng)為直接帶隙，帶邊波長可覆蓋1.1μm和1.85μm，從而可替代目前光通信用的1.31μm 和1.55μm光源。事實(shí)上，后文所述荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)（Eindhoven University of Technology）報(bào)道的發(fā)光硅也是基于SixGe1-x合金結(jié)構(gòu)。但是在現(xiàn)有的基于GaAs體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優(yōu)勢存在疑問。此外，不得不提的是，荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)組在理論上發(fā)現(xiàn)純六方相Si也是間接帶隙的。
 

另外，SiC具有高達(dá)250多種同素異形態(tài)，如3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC等, 目前商業(yè)化SiC器件主要是基于4H-SiC，是六方相晶體結(jié)構(gòu)。而金剛石和硅都是金剛石晶體結(jié)構(gòu)，但是Si和C 并沒有報(bào)道可以形成組分可調(diào)的SixC1-x合金？再想到石墨烯為零帶隙能帶結(jié)構(gòu)，IV族真是神奇！
 

材料發(fā)光效率提高是基本，如何在器件上實(shí)現(xiàn)呢？SixGe1-x合金有源區(qū)也許可以參考InGaN/GaN發(fā)光器件結(jié)構(gòu)，Ge和Si分別對應(yīng)InN和GaN。但是如果Si為有源區(qū)的話，可能會稍困難？因?yàn)椴]有類似AlGaN的SixC1-x材料來配合形成量子阱有源區(qū)的壘層，而單純的異質(zhì)結(jié)因?yàn)槿狈d流子的有效限制而使輻射復(fù)合效率不會很高。
 

包括SixGe1-x合金和Si高效光源能有什么“殺手锏”的顛覆性應(yīng)用呢？首先，作為分立光源器件，應(yīng)用于光通信等行業(yè)，比如1.31μm和1.55μm SixGe1-x光通信光源器件。但是在現(xiàn)有的基于GaAs/InP體系的光通信已較成熟，基于SixGe1-x合金光源是否在成本和性能上更具有優(yōu)勢存在疑問。
 

硅發(fā)光器件，主要是在硅基光電子產(chǎn)業(yè)上有巨大潛力。近年來，不斷縮小的芯片尺寸存在物理極限，漏電流增加、散熱問題大等問題難以解決，因此進(jìn)入“后摩爾定律”時(shí)代。硅基光電子技術(shù)是延續(xù)摩爾定律的發(fā)展方向之一。與電子相反，光子沒有電阻，沒有質(zhì)量或電荷，因此在材料內(nèi)部傳輸時(shí)散射較少，不會產(chǎn)生額外熱量。通過硅光集成，用光代替電進(jìn)行信息傳輸，可以提高通信的速度，降低集成電路的成本。目前已經(jīng)商用的大規(guī)模單片PIC（photonics integrated circuits）采用的是InP材料, 但價(jià)格昂貴，且難實(shí)現(xiàn)與成熟Si CMOS電路的大規(guī)模集成。
 

目前硅光技術(shù)在光模塊領(lǐng)域落地應(yīng)用是混合集成方案，即在硅基上同時(shí)制造出電子器件和光子器件，將CMOS等電子器件和激光器調(diào)制器等有源無源光子器件集成在同一硅片或SOI上。當(dāng)前，硅基探測器（Ge探測器）、光調(diào)制器（SiGe調(diào)制器）、光開關(guān)、光波導(dǎo)等均已實(shí)現(xiàn)突破，而激光器是最大瓶頸。波長在1.55μm的InxGa1-xAsyP1-y材料同Si晶格失配為約8%。而基于發(fā)光硅的硅發(fā)光器件，則可以使硅光技術(shù)從混合集成走向單片集成，從而將激光器同Si CMOS“無縫“嵌入融合，實(shí)現(xiàn)片上、片間甚至片內(nèi)互連，使得計(jì)算速度全面提升，推動計(jì)算機(jī)光互連甚至是光計(jì)算的革命。
 

2020年在Nature報(bào)道合成發(fā)光SixGe1-x合金的荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)Erik Bakkers組也在文章（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.”
 

前景看起來“很香”，道路依然艱辛。目前大致有六邊形Si和SiGe合金納米線（以荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)Erik Bakkers組為代表）、Si量子點(diǎn)、多孔硅、Si/Ge超晶格、應(yīng)變Si/Ge、稀土元素?fù)诫s等技術(shù)途徑探索實(shí)現(xiàn)硅發(fā)光。荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)Gregorkiewicz教授預(yù)測Si量子點(diǎn)縮小到2nm以下可以由間接帶隙變?yōu)橹苯訋叮锌圃喊雽?dǎo)體所駱軍委研究員則用現(xiàn)代納米計(jì)算技術(shù)推翻了Si量子點(diǎn)可成為直接帶隙發(fā)光的發(fā)現(xiàn)。稀土摻雜硅則存在稀土摻雜濃度低，發(fā)光溫度淬滅，非輻射復(fù)合概率大，載流子復(fù)合壽命長導(dǎo)致調(diào)制速率低（這個(gè)問題對于光通信用激光器，幾乎是致命的）等問題。
 

前述荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)Erik Bakkers組通過生長GaAs/Ge核殼結(jié)構(gòu)為模版，進(jìn)一步得到了六邊形Si和SiGe合金。此工作應(yīng)該是代表了Si發(fā)光最前沿和最新的進(jìn)展。通過實(shí)驗(yàn)測得的輻射復(fù)合系數(shù)為 0.7×10?10cm3 s?1 < Brad < 8.3×10?10 cm3 s?1，也確實(shí)是比較高。InGaN基LED大概也在-10，-11次方量級。
 

但是從實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可以看出，Ge和SiGe合金的內(nèi)量子效率還是很低的，SiGe合金比Ge就低更多。從4K低溫和室溫的低激發(fā)光功率密度下光致發(fā)光實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，Ge和Si0.2Ge0.8的內(nèi)量子效率約為10%和0.1%。作者并沒有報(bào)道所得到六邊形Si的發(fā)光性質(zhì)，應(yīng)該六邊形Si是確實(shí)不能高效發(fā)光的。因此，高效發(fā)光Ge及器件會率先突破實(shí)現(xiàn)，如果技術(shù)繼續(xù)向前發(fā)展突破的話。
 

總之，高效發(fā)光硅，在理論實(shí)驗(yàn)及材料器件應(yīng)用等方面都還處在初級研發(fā)探索階段。路漫漫其修遠(yuǎn)兮。

圖1 （左）立方Si，六方Si，立方Ge，六方Ge的能帶圖，前三者均為間接帶隙，而六方Ge為直接帶隙結(jié)構(gòu)；（右）實(shí)驗(yàn)六方Ge（紅）和六方Si0.20 Ge0.80（藍(lán)）的變溫光致發(fā)光。（Nature, 2020; 580 (7802): 205）。
 

阿喀琉斯之踵和亞當(dāng)之肋的故事大家應(yīng)該比較熟悉，和高效硅發(fā)光的研究聯(lián)想下，有點(diǎn)意思。
 

硅已經(jīng)足夠優(yōu)秀和卓越，甚至可以說接近完美了，當(dāng)然不是絕對完美。絕對完美的人和物都不存在。硅是毫無爭議當(dāng)下信息時(shí)代的材料基石，類似特洛伊戰(zhàn)爭中全身刀槍不入，諸神難侵（當(dāng)然除了腳踵）的阿喀琉斯。阿喀琉斯沒能逃脫命運(yùn)女神的預(yù)言，在特洛伊戰(zhàn)爭中被敵人一箭射中全身唯一沒有被冥河水浸泡過的“死穴”—腳踵部位而死去，這就是所謂阿喀琉斯之踵（Achilles' Heel）的由來。
 

不能高效發(fā)光會不會成為阻礙硅延續(xù)摩爾定律的“阿喀琉斯之踵”呢？
 

我想應(yīng)該不會。延續(xù)摩爾定律，學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界先進(jìn)制程工藝及材料器件、芯片架構(gòu)、先進(jìn)封裝、異質(zhì)集成等方面進(jìn)行了諸多努力，并且多有進(jìn)展。即使在發(fā)光硅可能有殺手锏應(yīng)用的“硅光”領(lǐng)域，業(yè)界公司如Intel，剛被Marvell收購的 Inphi, Luxtera，SiFotonics等開足馬力，進(jìn)展迅速。而基于高效發(fā)光硅的研究目前還限于少數(shù)實(shí)驗(yàn)室，且還在非常初級的基礎(chǔ)研究探索階段，離材料器件成熟及落地應(yīng)用尚有太多的鴻溝需要跨越。
 

倒是覺得發(fā)光硅同“亞當(dāng)之肋”有點(diǎn)像。硅就像上帝贈送給人類的接近完美的禮物“亞當(dāng)”（神按照自己的形象而造），草木茂盛，物產(chǎn)豐富的伊甸園則是我們所處的日新月異的電子信息社會。但是高效發(fā)光這個(gè)“肋骨”被取出來了，所造“夏娃”就是以GaAs，InP和GaN等為代表的新一代半導(dǎo)體：他們都是直接帶隙，都能高效發(fā)光，并且通過調(diào)節(jié)組分，帶邊波長可以覆蓋從遠(yuǎn)紅外到深紫外的很寬范圍，目前在半導(dǎo)體照明、光通信、顯示等領(lǐng)域諸多應(yīng)用，是硅不能高效發(fā)光的遺憾的彌補(bǔ)，也是硅基集成電路的不可缺少協(xié)作和補(bǔ)充—很美麗的夏娃啊！當(dāng)然后續(xù)亞當(dāng)夏娃受蛇誘惑，偷食禁果，被逐伊甸園自當(dāng)另說。
 

GaAs，InP，GaN等新一代半導(dǎo)體在不限于光源器件的很多方面有非常重要應(yīng)用，但是硅基集成電路在可預(yù)見的未來是很難被取代的。
 

硅作為信息時(shí)代的準(zhǔn)完美男神，少根肋骨，其實(shí)沒啥大不了？少了根肋骨，卻多了美麗的夏娃。