Forskere bringer optisk kommunikation på siliciumchips

Den enorme stigning i computerydelsen i de seneste årtier er opnået ved at presse stadig flere transistorer ind i et snævrere rum på mikrochips.

Imidlertid, denne nedskæring har også betydet, at ledningerne i mikroprocessorer bliver tættere sammen, fører til effekter såsom signallækage mellem komponenter, som kan bremse kommunikationen mellem forskellige dele af chippen. denne forsinkelse, kendt som "sammenkoblingsflaskehalsen, " bliver et stigende problem i højhastighedscomputersystemer.

En måde at tackle sammenkoblingsflaskehalsen på er at bruge lys i stedet for ledninger til at kommunikere mellem forskellige dele af en mikrochip. Det er ikke nogen nem opgave, imidlertid, som silicium, det materiale, der bruges til at bygge chips, udsender ikke let lys, ifølge Pablo Jarillo-Herrero, en lektor i fysik ved MIT.

Nu, i en artikel offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi , forskere beskriver en lysemitter og detektor, der kan integreres i silicium CMOS-chips. Avisens første forfatter er MIT postdoc Ya-Qing Bie, som får selskab af Jarillo-Herrero og et tværfagligt team inklusive Dirk Englund, en lektor i elektroteknik og datalogi ved MIT.

Enheden er bygget af et halvledermateriale kaldet molybdænditellurid. Denne ultratynde halvleder tilhører en ny gruppe af materialer kendt som todimensionelle overgangsmetal-dichalcogenider.

I modsætning til konventionelle halvledere, materialet kan stables oven på silicium wafers, Jarillo-Herrero siger.

"Forskere har forsøgt at finde materialer, der er kompatible med silicium, for at bringe optoelektronik og optisk kommunikation on-chip, men indtil videre har det vist sig meget svært, " siger Jarillo-Herrero. "F.eks. galliumarsenid er meget godt til optik, men det kan ikke dyrkes på silicium meget let, fordi de to halvledere er inkompatible."

I modsætning, 2-D molybdæn ditelluridet kan bindes mekanisk til ethvert materiale, Jarillo-Herrero siger.

En anden vanskelighed ved at integrere andre halvledere med silicium er, at materialerne typisk udsender lys i det synlige område, men lys ved disse bølgelængder absorberes simpelthen af ​​silicium.

Molybdæn ditellurid udsender lys i det infrarøde område, som ikke absorberes af silicium, hvilket betyder, at den kan bruges til on-chip kommunikation.

For at bruge materialet som lysudsender, forskerne skulle først konvertere den til en P-N junction diode, en enhed, hvor den ene side, P-siden, er positivt ladet, mens den anden, N side, er negativt ladet.

I konventionelle halvledere, dette gøres typisk ved at indføre kemiske urenheder i materialet. Med den nye klasse af 2-D materialer, imidlertid, det kan gøres ved blot at påføre en spænding over metalliske gate-elektroder placeret side om side oven på materialet.

"Det er et væsentligt gennembrud, fordi det betyder, at vi ikke behøver at indføre kemiske urenheder i materialet [for at skabe dioden]. Vi kan gøre det elektrisk, " siger Jarillo-Herrero.

Når dioden er produceret, forskerne løber en strøm gennem enheden, får den til at udsende lys.

"Så ved at bruge dioder lavet af molybdæn ditellurid, vi er i stand til at fremstille lysemitterende dioder (LED'er) kompatible med siliciumchips, " siger Jarillo-Herrero.

Enheden kan også skiftes til at fungere som fotodetektor, ved at vende polariteten af ​​den spænding, der påføres enheden. Dette får den til at holde op med at lede elektricitet, indtil et lys skinner på den, når strømmen genstarter.

På denne måde enhederne er i stand til både at sende og modtage optiske signaler.

Enheden er et proof of concept, og der mangler stadig meget arbejde, før teknologien kan udvikles til et kommercielt produkt, Jarillo-Herrero siger.

Forskerne undersøger nu andre materialer, der kunne bruges til optisk kommunikation på chip.

De fleste telekommunikationssystemer, for eksempel, arbejde med lys med en bølgelængde på 1,3 eller 1,5 mikrometer, Jarillo-Herrero siger.

Imidlertid, molybdæn ditellurid udsender lys ved 1,1 mikrometer. Dette gør den velegnet til brug i de siliciumchips, der findes i computere, men uegnet til telekommunikationssystemer.

"Det ville være yderst ønskeligt, hvis vi kunne udvikle et lignende materiale, som kunne udsende og detektere lys ved 1,3 eller 1,5 mikrometer i bølgelængde, hvor telekommunikation via optisk fiber fungerer, " han siger.

Til denne ende, forskerne udforsker et andet ultratyndt materiale kaldet sort fosfor, som kan indstilles til at udsende lys ved forskellige bølgelængder ved at ændre antallet af anvendte lag. De håber at udvikle enheder med det nødvendige antal lag for at give dem mulighed for at udsende lys ved de to bølgelængder, mens de forbliver kompatible med silicium.

"Håbet er, at hvis vi er i stand til at kommunikere on-chip via optiske signaler i stedet for elektroniske signaler, vi vil være i stand til at gøre det hurtigere, og mens du bruger mindre strøm, " siger Jarillo-Herrero.