Forskere præsenterer revolutionerende lysemitterende silicium

At udsende lys fra silicium har været den hellige gral i mikroelektronikindustrien i årtier. At løse dette puslespil ville revolutionere computeren, da chips bliver hurtigere end nogensinde. Forskere fra Eindhoven University of Technology har nu udviklet en legering med silicium, der kan udsende lys. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur . Holdet vil nu udvikle en siliciumlaser, der skal integreres i nuværende chips.

Nuværende teknologi baseret på halvledere er ved at nå sit loft. Den begrænsende faktor er varme, som følge af den modstand, som elektronerne oplever, når de bevæger sig gennem kobberlinjerne, der forbinder de mange transistorer på en chip. For at fortsætte med at fremme dataoverførsel kræver det en ny teknik, der ikke producerer varme.

I modsætning til elektroner, fotoner oplever ikke modstand. Da de ikke har nogen masse eller ladning, de vil spredes mindre i det materiale, de rejser igennem, og derfor produceres der ingen varme. Energiforbruget vil derfor blive reduceret. I øvrigt, ved at erstatte elektrisk kommunikation i en chip med optisk kommunikation, hastigheden af ​​on-chip og chip-til-chip kommunikation kan øges med en faktor 1000. Datacentre ville gavne de fleste, med hurtigere dataoverførsel og mindre energiforbrug til kølesystemer. Men disse fotoniske chips vil også bringe nye applikationer inden for rækkevidde. Tænk på laserbaseret radar til selvkørende biler og kemiske sensorer til medicinsk diagnose eller til måling af luft- og fødevarekvalitet.

Tab af elektron udsender en foton

Brug af lys i chips kræver en integreret laser. Det vigtigste halvledermateriale, som computerchips er lavet af, er silicium. Men bulk silicium er ekstremt ineffektiv til at udsende lys, og blev længe antaget at spille ingen rolle i fotonik. Dermed, videnskabsmænd vendte sig mod mere komplekse halvledere, såsom galliumarsenid og indiumphosphid. Disse er gode til at udsende lys, men er dyrere end silicium, og er svære at integrere i eksisterende siliciummikrochips.

For at skabe en siliciumkompatibel laser, forskerne havde brug for at producere en form for silicium, der kan udsende lys. Forskere fra Eindhoven University of Technology (TU/e), sammen med forskere fra universiteterne i Jena, Linz og München, kombineret silicium og germanium i en sekskantet struktur, der er i stand til at udsende lys, et gennembrud efter 50 års arbejde.

Sekskantet struktur

"Kruxet er karakteren af ​​det såkaldte båndgab i en halvleder, " siger ledende forsker Erik Bakkers fra TU/e. "Hvis en elektron 'falder' fra ledningsbåndet til valensbåndet, en halvleder udsender en foton:lys."

Men hvis ledningsbåndet og valensbåndet er forskudt i forhold til hinanden, som kaldes et indirekte båndgab, ingen fotoner kan udsendes - som det er tilfældet i silicium. "En 50 år gammel teori viste, imidlertid, at silicium legeret med germanium og formet i en sekskantet struktur har et direkte båndgab, og derfor potentielt kunne udsende lys, siger Bakkers.

At forme silicium i en sekskantet struktur, imidlertid, det er ikke let. Da Bakkers og hans team mestrede teknikken til at dyrke nanotråde, de var i stand til at skabe sekskantet silicium i 2015. De realiserede rent sekskantet silicium ved først at dyrke nanotråde lavet af et andet materiale med en sekskantet krystalstruktur. Derefter dyrkede de en silicium-germanium-skal på denne skabelon. Elham Fadaly, delte førsteforfatter af Natur papir, siger, "Vi var i stand til at gøre dette sådan, at siliciumatomerne er bygget på den sekskantede skabelon, og herved tvang siliciumatomerne til at vokse i den sekskantede struktur."

Silicium laser

Men de kunne ikke få dem til at udsende lys, indtil nu. Bakkers team formåede at øge kvaliteten af ​​de sekskantede silicium-germanium-skaller ved at reducere antallet af urenheder og krystaldefekter. Når du exciterer nanotråden med en laser, de kunne måle effektiviteten af ​​det nye materiale. Alain Dijkstra, delte førsteforfatter og forskeren, der er ansvarlig for at måle lysemissionen, siger, "Vores eksperimenter viste, at materialet har den rigtige struktur, og at den er fri for fejl. Det udsender lys meget effektivt."

At lave en laser er nu et spørgsmål om tid, siger Bakkers. "Nu, vi har indset optiske egenskaber, der næsten kan sammenlignes med indiumphosphid og galliumarsenid, og materialekvaliteten er stærkt forbedret. Hvis tingene går glat, vi kan skabe en siliciumbaseret laser i 2020. Dette ville muliggøre en tæt integration af optisk funktionalitet i den dominerende elektronikplatform, som ville bryde åbne muligheder for on-chip optisk kommunikation og overkommelige kemiske sensorer baseret på spektroskopi."

I mellemtiden, hans team undersøger også, hvordan man integrerer det sekskantede silicium i kubisk siliciummikroelektronik, hvilket er en vigtig forudsætning for dette arbejde. Dette forskningsprojekt er finansieret af EU-projektet SiLAS, koordineret af TU/e-professor Jos Haverkort.