硅光子技术普及（下）：硅发光取得进展

        原本不发光的材料发光了

        硅光子剩下的最大课题就是发光元件。此前开发的光收发器的发光元件都无法与硅和CMOS兼容，因此要粘贴采用化合物半导体的发光元件。实现与CMOS兼容的发光元件可以说是硅光子技术的“夙愿”。

         硅光子剩下的最大课题就是发光元件。此前开发的光收发器的发光元件都无法与硅和CMOS兼容，因此要粘贴采用化合物半导体的发光元件。实现与CMOS兼容的发光元件可以说是硅光子技术的“夙愿”。 现在，这个课题也在不断取得突破。此前，由于硅和锗属于能带结构为间接迁移型*的半导体，因此一直被认为基本不发光。但在最近一两年，这个“常识”被打破，已经能够看到利用锗和硅实现发光元件的希望。



        本图为可利用最近开发的CMOS兼容技术制作的发光元件。MIT通过注入电流成功使Ge-on-Si元件实现了激光振荡（a）。日立制作所和东京大学荒川研究室也通过电流注入技术成功使Ge-on-Si元件实现了发光（b）。另外，东京大学大津研究室成功使pin型硅元件实现了高效率发光（c）。实现了多种波长的发光。（图（b）由PECST制作，（c）由东京大学大津研究室拍摄）

         间接迁移型＝根据波数和电子能量分析半导体的能带结构时，价带中能量最大的波数与导带中能量最小的波数各不相同。波数是与动量有关的物理量，因此即使想把导带的电子迁移到价带中，一般来说，不符合动量守恒定律就无法迁移，也就是说无法发光。能发光的能带结构被称为直接迁移型。

        打破这个常识的研究单位之一就是美国麻省理工学院（MIT）。MIT于2010年通过光激发使锗发光，2012年通过注入电流，成功使锗实现了激光振荡。

        成功的秘诀是对锗进行高浓度n型掺杂，将其能带结构变成直接迁移型。目前的掺杂浓度为4×1019个/cm3，对于半导体来说非常高。在有关锗的研究中，与MIT有交流的东京大学的和田自信地表示，“还差一步，如果能达到1020个/cm3以上的掺杂，就能实现与化合物半导体相当的发光增益。硅光子全部能利用（硅和锗等）IV族材料实现”。

         日立制作所和东京大学荒川研究室也实现了锗发光。日立制作所到2年前为止一直在进行通过量子效果使硅发光的研究，之后开始研究锗。同样是利用高浓度的n型掺杂锗，在此基础上通过SiN对锗施加应变，并已确认这种方法可以提高发光强度。

         硅发光取得进展 

         另外，还出现了使硅光子的主角——硅自身发光的例子。东京大学研究生院工学系研究科教授、纳米光子研究中心中心长大津元一的研发小组2011年发现硅可以发光。

         据介绍，为硅通电，然后边照射电磁波边进行p型掺杂的话，就会开始受激发射。已确认利用该材料制作的硅LED能够发光注5）。

         注5） 发光波长为1.1～1.5μm，能在大带宽内发光。

         通过不断优化元件，目前红外光硅LED的外部量子效率超过了10％（图9）。作为才开发2年的发光效率，即使与目前最新型白色LED的30％左右相比，也已经算十分高了。虽然效率还比较低，但已制作出通过红外光激光振荡的元件，以及可通过红色光、绿色光、蓝色光等发光的硅LED。大津表示，计划使可用于硅光子的红外激光2015年达到10％的效率。 
                                            


         本图为东京大学大津研究室正在开发的硅LED和硅激光元件的发光效率提高情况。红外发光硅LED的外部发光效率超过了10％，正在靠近现有LED的约30％。（图由《日经电子》根据东京大学大津研究室的资料制作）

         通过这些技术开发，利用CMOS技术有望使半导体的任意位置成为光源。不仅是光传输，还能为显示器等带来巨大的影响。

         能否打破1000个硅光子的集成壁垒

         硅光子要想进一步发展还存在两大课题。一是，使光元件和光收发器大幅实现小型化和低耗电量化的方法。另一个是，进一步实现大容量化的王牌——密集波分复用（DWDM）技术的利用。

         在PECST等的研究成果中，光收发器的集成度目前有望实现526个/cm2，在不久的将来还可能会实现1000个/cm2（图5）。但再往后，硅光子能否顺利增加集成度就不得而知了。NTT特性科学基础研究所、NTT纳米光子中心中心长纳富雅也表示，“硅光子的集成度存在1cm2约为1000个的壁垒”。

         这种看法的理由是，构成光收发器的各元件的小型化已经到了极限。尺寸小于20μm见方的元件在硅光子中基本无法实现。因为再缩小元件尺寸的话，漏出的光会大幅增加，能量损失就会迅速增加。

         瞄准芯片上的路径控制 

         对于这个问题，最有效的解决方法是光密封效果高的光子晶体（PhC）技术。NTT利用化合物半导体制作出光子晶体，开发了多种主动光学元件（图10）。目标是超越光收发器，在芯片上实现采用光存储器等的主动路径控制及简单的信息处理等网络。

         本图为NTT特性科学基础研究所正在开发的、利用化合物半导体光子晶体的光传输技术群。与CMOS兼容技术相比，所占面积和耗电量均降低了2～3位数。光RAM等记录介质的开发也取得了成功。（摄影：NTT）

         作为其核心技术，目前已经开发出了激光振荡元件、光开关及光RAM等，每个元件的尺寸为5～15μm见方。这样便能以100万个/cm2的密度集成光元件。其中，光开关的耗电量非常小，只有660aJ/bit，与电信号相比，有望大幅降低耗电量。该公司就这些技术表示，“打算2025年前后实现能贴在微处理器上的智能光网络芯片”（纳富）。

         现在的光子晶体未采用硅基，因为很难采用硅基以高效率制作主动元件。不过，结合发光的锗和硅等技术的话，就有可能实现硅基光子晶体。DWDM可能是最后的课题




         因此，增加光传输容量的方法方面，与DWDM相比，近来更重视多级调制的光传输技术人员越来越多。

         但也有研究人员认为，“相对于电传输，利用DWDM是光传输的本质优势，必须要推进利用DWDM的研究开发”（东京大学的和田）。最近，MIT的研究人员还在开发使波导不依赖于温度的技术（图12）。

         MIT将覆盖波导硅芯的“包覆”部的一部分换成了树脂。这样，波长对温度的依赖性基本就不存在了。

         本图为MIT开发的折射率基本不依赖温度的光波导概要。随着温度的上升，硅的折射率会变大，而树脂的折射率会变小。因此，波导的有效折射率基本固定。