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

“半導體材料有為直接和間接帶隙之分。前者導帶最小值和價帶最大值具有相同k值，即電子動量，導帶底的電子與價帶頂?shù)目昭梢酝ㄟ^輻射復合而發(fā)光，復合幾率大，發(fā)光效率高；而間接帶隙半導體的導帶最小值和價帶最大值的動量值不同，根據動量守恒要求，導帶底的電子與價帶頂?shù)目昭ㄍㄟ^輻射復合發(fā)光時必須有聲子的參與才能完成，是一個多體互作用過程，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，假設硅從禁帶寬度（1.12eV）維持不變，那么硅發(fā)光波長為約1.1μm。IV族的C（對應材料金剛石）、Si、Ge均為間接帶隙，導帶極小值分別在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體如SiC，SiGe也均為間接帶隙。事實上Ge的能帶相比硅，更接近直接帶隙：Ge在〈111〉方向的導帶極小值只比Γ（000）點低0.18eV，而Si在〈100〉方向極小值和Γ（000）點能級差則高達1.5 eV。如果能調整Si從間接帶隙為直接帶隙，那么Ge也應該也可以調節(jié)為直接帶隙高效發(fā)光。SixGe1-x合金也應為直接帶隙，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。事實上，后文所述荷蘭埃因霍芬理工大學（Eindhoven University of Technology）報道的發(fā)光硅也是基于SixGe1-x合金結構。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，是六方相晶體結構。而金剛石和硅都是金剛石晶體結構，但是Si和C 并沒有報道可以形成組分可調的SixC1-x合金？再想到石墨烯為零帶隙能帶結構，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)光器件結構，Ge和Si分別對應InN和GaN。但是如果Si為有源區(qū)的話，可能會稍困難？因為并沒有類似AlGaN的SixC1-x材料來配合形成量子阱有源區(qū)的壘層，而單純的異質結因為缺乏對載流子的有效限制而使輻射復合效率不會很高。
 

包括SixGe1-x合金和Si高效光源能有什么“殺手锏”的顛覆性應用呢？首先，作為分立光源器件，應用于光通信等行業(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，因此進入“后摩爾定律”時代。硅基光電子技術是延續(xù)摩爾定律的發(fā)展方向之一。與電子相反，光子沒有電阻，沒有質量或電荷，因此在材料內部傳輸時散射較少，不會產生額外熱量。通過硅光集成，用光代替電進行信息傳輸，可以提高通信的速度，降低集成電路的成本。目前已經商用的大規(guī)模單片PIC（photonics integrated circuits）采用的是InP材料, 但價格昂貴，且難實現(xiàn)與成熟Si CMOS電路的大規(guī)模集成。
 

目前硅光技術在光模塊領域落地應用是混合集成方案，即在硅基上同時制造出電子器件和光子器件，將CMOS等電子器件和激光器調制器等有源無源光子器件集成在同一硅片或SOI上。當前，硅基探測器（Ge探測器）、光調制器（SiGe調制器）、光開關、光波導等均已實現(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，實現(xiàn)片上、片間甚至片內互連，使得計算速度全面提升，推動計算機光互連甚至是光計算的革命。
 

2020年在Nature報道合成發(fā)光SixGe1-x合金的荷蘭埃因霍溫理工大學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Erik Bakkers組為代表）、Si量子點、多孔硅、Si/Ge超晶格、應變Si/Ge、稀土元素摻雜等技術途徑探索實現(xiàn)硅發(fā)光。荷蘭阿姆斯特丹大學Gregorkiewicz教授預測Si量子點縮小到2nm以下可以由間接帶隙變?yōu)橹苯訋?，而中科院半導體所駱軍委研究員則用現(xiàn)代納米計算技術推翻了Si量子點可成為直接帶隙發(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，非輻射復合概率大，載流子復合壽命長導致調制速率低（這個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Erik Bakkers組通過生長GaAs/Ge核殼結構為模版，進一步得到了六邊形Si和SiGe合金。此工作應該是代表了Si發(fā)光最前沿和最新的進展。通過實驗測得的輻射復合系數(shù)為 0.7×10?10cm3 s?1 < Brad < 8.3×10?10 cm3 s?1，也確實是比較高。InGaN基LED大概也在-10，-11次方量級。
 

但是從實驗測試結果可以看出，Ge和SiGe合金的內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)光實驗結果來看，Ge和Si0.2Ge0.8的內量子效率約為10%和0.1%。作者并沒有報道所得到六邊形Si的發(fā)光性質，應該六邊形Si是確實不能高效發(fā)光的。因此，高效發(fā)光Ge及器件會率先突破實現(xiàn)，如果技術繼續(xù)向前發(fā)展突破的話。
 

總之，高效發(fā)光硅，在理論實驗及材料器件應用等方面都還處在初級研發(fā)探索階段。路漫漫其修遠兮。

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為直接帶隙結構；（右）實驗六方Ge（紅）和六方Si0.20 Ge0.80（藍）的變溫光致發(fā)光。（Nature, 2020; 580 (7802): 205）。
 

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

硅已經足夠優(yōu)秀和卓越，甚至可以說接近完美了，當然不是絕對完美。絕對完美的人和物都不存在。硅是毫無爭議當下信息時代的材料基石，類似特洛伊戰(zhàn)爭中全身刀槍不入，諸神難侵（當然除了腳踵）的阿喀琉斯。阿喀琉斯沒能逃脫命運女神的預言，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？
 

我想應該不會。延續(xù)摩爾定律，學術和產業(yè)界先進制程工藝及材料器件、芯片架構、先進封裝、異質集成等方面進行了諸多努力，并且多有進展。即使在發(fā)光硅可能有殺手锏應用的“硅光”領域，業(yè)界公司如Intel，剛被Marvell收購的 Inphi, Luxtera，SiFotonics等開足馬力，進展迅速。而基于高效發(fā)光硅的研究目前還限于少數(shù)實驗室，且還在非常初級的基礎研究探索階段，離材料器件成熟及落地應用尚有太多的鴻溝需要跨越。
 

倒是覺得發(fā)光硅同“亞當之肋”有點像。硅就像上帝贈送給人類的接近完美的禮物“亞當”（神按照自己的形象而造），草木茂盛，物產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“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體：他們都是直接帶隙，都能高效發(fā)光，并且通過調節(jié)組分，帶邊波長可以覆蓋從遠紅外到深紫外的很寬范圍，目前在半導體照明、光通信、顯示等領域諸多應用，是硅不能高效發(fā)光的遺憾的彌補，也是硅基集成電路的不可缺少協(xié)作和補充—很美麗的夏娃啊！當然后續(xù)亞當夏娃受蛇誘惑，偷食禁果，被逐伊甸園自當另說。
 

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

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