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(dǎo)體的發(fā)光元件。實(shí)現(xiàn)與CMOS兼容的發(fā)光元件可以說(shuō)是硅光子技術(shù)的“夙愿”,。
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(dǎo)體的發(fā)光元件,。實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(jié)構(gòu)為間接遷移型*的半導(dǎo)體,因此一直被認(rèn)為基本不發(fā)光。但在最近一兩年,,這個(gè)“常識(shí)”被打破,,已經(jīng)能夠看到利用鍺和硅實(shí)現(xiàn)發(fā)光元件的希望。
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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)了高效率發(fā)光(c),。實(shí)現(xiàn)了多種波長(zhǎng)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(jù)波數(shù)和電子能量分析半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)時(shí),,價(jià)帶中能量最大的波數(shù)與導(dǎo)帶中能量最小的波數(shù)各不相同。波數(shù)是與動(dòng)量有關(guān)的物理量,,因此即使想把導(dǎo)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(jié)構(gòu)被稱為直接遷移型。
打破這個(gè)常識(shí)的研究單位之一就是美國(guó)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(xiàn)了激光振蕩,。
成功的秘訣是對(duì)鍺進(jìn)行高濃度n型摻雜,,將其能帶結(jié)構(gòu)變成直接遷移型。目前的摻雜濃度為4×1019個(gè)/cm3,,對(duì)于半導(dǎo)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(dá)到1020個(gè)/cm3以上的摻雜,,就能實(shí)現(xiàn)與化合物半導(dǎo)體相當(dāng)?shù)陌l(fā)光增益,。硅光子全部能利用(硅和鍺等)IV族材料實(shí)現(xiàn)”。
日立制作所和東京大學(xué)荒川研究室也實(shí)現(xiàn)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(chǔ)上通過(guò)SiN對(duì)鍺施加應(yīng)變,,并已確認(rèn)這種方法可以提高發(fā)光強(qiáng)度。
硅發(fā)光取得進(jìn)展
另外,還出現(xiàn)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(zhǎng)大津元一的研發(fā)小組2011年發(fā)現(xiàn)硅可以發(fā)光。
據(jù)介紹,,為硅通電,,然后邊照射電磁波邊進(jìn)行p型摻雜的話,就會(huì)開(kāi)始受激發(fā)射,。已確認(rèn)利用該材料制作的硅LED能夠發(fā)光注5),。
注5) 發(fā)光波長(zhǎng)為1.1~1.5μm,能在大帶寬內(nèi)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(lán)色光等發(fā)光的硅LED,。大津表示,計(jì)劃使可用于硅光子的紅外激光2015年達(dá)到10%的效率,。
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(xiàn)有LED的約30%,。(圖由《日經(jīng)電子》根據(jù)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(dǎo)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(xiàn)小型化和低耗電量化的方法,。另一個(gè)是,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大容量化的王牌——密集波分復(fù)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(xiàn)526個(gè)/cm2,在不久的將來(lái)還可能會(huì)實(shí)現(xiàn)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(chǔ)研究所、NTT納米光子中心中心長(zhǎng)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(gòu)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(xiàn),。因?yàn)樵倏s小元件尺寸的話,漏出的光會(huì)大幅增加,,能量損失就會(huì)迅速增加,。
瞄準(zhǔn)芯片上的路徑控制
對(duì)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(dǎo)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(biāo)是超越光收發(fā)器,,在芯片上實(shí)現(xiàn)采用光存儲(chǔ)器等的主動(dòng)路徑控制及簡(jiǎn)單的信息處理等網(wǎng)絡(luò),。
本圖為NTT特性科學(xué)基礎(chǔ)研究所正在開(kāi)發(fā)的、利用化合物半導(dǎo)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(shù)。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(hào)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(xiàn)能貼在微處理器上的智能光網(wǎng)絡(luò)芯片”(納富),。
現(xiàn)在的光子晶體未采用硅基,,因?yàn)楹茈y采用硅基以高效率制作主動(dòng)元件。不過(guò),,結(jié)合發(fā)光的鍺和硅等技術(shù)的話,就有可能實(shí)現(xiàn)硅基光子晶體,。DWDM可能是最后的課題
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(jí)調(diào)制的光傳輸技術(shù)人員越來(lái)越多,。
但也有研究人員認(rèn)為,,“相對(duì)于電傳輸,利用DWDM是光傳輸?shù)谋举|(zhì)優(yōu)勢(shì),,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(dǎo)不依賴于溫度的技術(shù)(圖12),。
MIT將覆蓋波導(dǎo)硅芯的“包覆”部的一部分換成了樹(shù)脂,。這樣,波長(zhǎng)對(duì)溫度的依賴性基本就不存在了,。
本圖為MIT開(kāi)發(fā)的折射率基本不依賴溫度的光波導(dǎo)概要,。隨著溫度的上升,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(dǎo)的有效折射率基本固定,。