硅CMOS芯片的发光二极管和光电检测器

该图显示了用于硅光子学的二碲化钼光源。图像：桑普森·威尔科克斯（Sampson Wilcox）

麻省理工学院的研究人员设计了一种可以集成到硅CMOS芯片中的发光器和检测器。

近几十年来，通过将越来越多的晶体管挤入微芯片上更紧密的空间中，可以实现计算性能的巨大提高。

但是，这种小型化还意味着将微处理器内部的布线更加紧密地捆在一起，从而导致诸如组件之间的信号泄漏之类的效应，从而可能减慢芯片不同部分之间的通信。这种延迟被称为“互连瓶颈”，正在成为高速计算系统中日益严重的问题。

解决互连瓶颈的一种方法是使用光而不是电线在微芯片的不同部分之间进行通信。麻省理工学院物理学副教授帕勃罗•贾里洛-赫雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）表示，这并不是一件容易的事，因为用于制造芯片的材料硅不容易发光。

现在，在今天发表在《自然纳米技术》杂志上的一篇论文中，研究人员描述了可以集成到硅CMOS芯片中的发光器和检测器。该论文的第一作者是麻省理工学院的博士后雅青·比（Ya-Qing Bie），贾里洛·埃雷罗（Jarillo-Herrero）和跨学科研究小组的成员包括麻省理工学院电气工程和计算机科学副教授Dirk Englund。

该器件由称为二碲化钼的半导体材料制成。这种超薄半导体属于新兴的材料组，被称为二维过渡金属二卤化物。

Jarillo-Herrero说，与传统的半导体不同，该材料可以堆叠在硅晶片上。

Jarillo-Herrero说：“研究人员一直在尝试寻找与硅兼容的材料，以将光电子和光通信带到芯片上，但是到目前为止，这已经证明非常困难。”“例如，砷化镓对光学非常有用，但是由于两种半导体不兼容，因此砷化镓不能很容易地在硅上生长。”

相反，2-D二碲化钼可以机械地附着到任何材料上，贾里洛-埃雷罗（Jarillo-Herrero）说。

将其他半导体与硅集成在一起的另一个困难是，这些材料通常会发出可见光范围内的光，但是这些波长的光仅会被硅吸收。

二碲化钼发出的红外光不会被硅吸收，这意味着它可以用于片上通信。

为了将这种材料用作发光体，研究人员首先必须将其转换为P-N结二极管，该器件的一侧P侧带正电，而另一侧N侧带负电。

在常规半导体中，这通常是通过将化学杂质引入材料中来完成的。然而，对于新型的二维材料，只需在并排放置在材料顶部的金属栅电极上施加电压即可完成。

“这是一项重大突破，因为这意味着我们不需要将化学杂质引入材料中（制造二极管）。我们可以用电动方式完成。”

一旦产生二极管，研究人员就使电流流过该器件，使其发光。

Jarillo-Herrero说：“因此，通过使用二碲化钼制成的二极管，我们能够制造与硅芯片兼容的发光二极管（LED）。”

通过反转施加到设备的电压的极性，也可以将设备切换为光电检测器。当电流重新启动时，这将导致它停止导电，直到灯亮。

以这种方式，设备能够发送和接收光信号。

Jarillo-Herrero说，该设备是一种概念证明，在将该技术开发为商用产品之前，还需要做大量工作。

西班牙巴塞罗那光子科学研究所量子纳米光电子学教授弗兰克·科彭斯（Frank Koppens）说，本文通过实现高性能的硅-CMOS兼容光源填补了集成光子学中的重要空白。在研究中。

Koppens说：“这项工作表明，二维材料与Si-CMOS和硅光子技术是天生的匹配，并且我们肯定会在未来几年内看到更多的应用。”

研究人员现在正在研究可用于片上光通信的其他材料。

Jarillo-Herrero说，例如，大多数电信系统都使用1.3或1.5微米波长的光进行操作。

但是，二碲化钼发出的光为1.1微米。这使其适合用于计算机中的硅芯片，但不适用于电信系统。

他说：“如果我们能开发出一种类似的材料，它能够发射和检测波长为1.3或1.5微米的光，那么这是非常可取的。

为此，研究人员正在探索另一种称为黑磷的超薄材料，可以通过改变所使用的层数来对其进行调节以发出不同波长的光。他们希望开发出具有必要层数的设备，以使它们能够在保持与硅兼容的同时发出两种波长的光。

Jarillo-Herrero说：“希望是，如果我们能够通过光信号而不是电信号在芯片上进行通信，那么我们将能够更快地完成通信，同时消耗更少的功率，” Jarillo-Herrero说。

这项研究得到了美国能源部资助的EFRC激进中心的支持。

出版物：Ya-Qing Bie等人，“用于硅光子集成电路的基于MoTe2的发光二极管和光电检测器”，《自然纳米技术》，2017年； doi：10.1038 / nnano.2017.209