Den enorma ökningen av datorprestanda under de senaste decennierna har uppnåtts genom att pressa in allt fler transistorer i ett trångare utrymme på mikrochips.

Dock, denna neddragning har också inneburit att packningen av ledningarna i mikroprocessorerna blir allt tätare, vilket leder till effekter som signalläckage mellan komponenter, vilket kan bromsa kommunikationen mellan olika delar av chipet. Denna försening, känd som "sammankopplingsflaskhalsen, "blir ett ökande problem i höghastighetsdatasystem.

Ett sätt att hantera sammankopplingsflaskhalsen är att använda ljus snarare än ledningar för att kommunicera mellan olika delar av ett mikrochip. Det här är ingen lätt uppgift, dock, som kisel, materialet som används för att bygga flis, avger inte lätt ljus, enligt Pablo Jarillo-Herrero, docent i fysik vid MIT.

Nu, i ett papper publicerat idag i tidningen Naturnanoteknik , forskare beskriver en ljussändare och detektor som kan integreras i kisel -CMOS -chips. Tidningens första författare är MIT postdoc Ya-Qing Bie, som får sällskap av Jarillo-Herrero och ett tvärvetenskapligt team inklusive Dirk Englund, docent i elektroteknik och datavetenskap vid MIT.

Enheten är byggd av ett halvledarmaterial som kallas molybden ditellurid. Denna ultratunna halvledare tillhör en ny grupp material som kallas tvådimensionella övergångsmetalldikalkogenider.

Till skillnad från konventionella halvledare, materialet kan staplas ovanpå kiselskivor, Säger Jarillo-Herrero.

"Forskare har försökt hitta material som är kompatibla med kisel, för att få optoelektronik och optisk kommunikation på chip, men hittills har detta visat sig vara mycket svårt, "Säger Jarillo-Herrero." Till exempel, galliumarsenid är mycket bra för optik, men det kan inte odlas på kisel så lätt eftersom de två halvledarna är inkompatibla. "

I kontrast, 2-D molybden ditellurid kan mekaniskt fästas på valfritt material, Säger Jarillo-Herrero.

En annan svårighet med att integrera andra halvledare med kisel är att materialen typiskt avger ljus i det synliga området, men ljus vid dessa våglängder absorberas helt enkelt av kisel.

Molybden ditellurid avger ljus i det infraröda området, som inte absorberas av kisel, vilket betyder att den kan användas för on-chip-kommunikation.

För att använda materialet som en ljussändare, forskarna var först tvungna att omvandla den till en PN-övergångsdiod, en anordning där ena sidan, P -sidan, är positivt laddad, medan den andra, N sida, är negativt laddad.

I konventionella halvledare, detta görs vanligtvis genom att införa kemiska föroreningar i materialet. Med den nya klassen 2-D-material, dock, det kan göras genom att helt enkelt applicera en spänning över metalliska grindelektroder placerade sida vid sida ovanpå materialet.

"Det är ett betydande genombrott, eftersom det betyder att vi inte behöver införa kemiska föroreningar i materialet [för att skapa dioden]. Vi kan göra det elektriskt, "Säger Jarillo-Herrero.

När dioden väl har producerats, forskarna driver en ström genom enheten, får den att avge ljus.

"Så genom att använda dioder gjorda av molybden ditellurid, vi kan tillverka lysdioder (lysdioder) kompatibla med kiselchips, "Säger Jarillo-Herrero.

Enheten kan också växlas för att fungera som en fotodetektor, genom att vända polariteten för spänningen som appliceras på enheten. Detta får den att sluta leda elektricitet tills ett ljus lyser på den, när strömmen startar om.

På det här sättet, enheterna kan både sända och ta emot optiska signaler.

Enheten är ett bevis på koncept, och mycket arbete måste fortfarande göras innan tekniken kan utvecklas till en kommersiell produkt, Säger Jarillo-Herrero.

Forskarna undersöker nu andra material som kan användas för optisk kommunikation på chip.

De flesta telekommunikationssystem, till exempel, arbeta med ljus med en våglängd på 1,3 eller 1,5 mikrometer, Säger Jarillo-Herrero.

Dock, molybden ditellurid avger ljus vid 1,1 mikrometer. Detta gör den lämplig för användning i kiselchips som finns i datorer, men olämplig för telekommunikationssystem.

"Det vore mycket önskvärt om vi kunde utveckla ett liknande material, som kan avge och detektera ljus vid 1,3 eller 1,5 mikrometer i våglängd, där telekommunikation via optisk fiber fungerar, " han säger.

För detta ändamål, forskarna utforskar ett annat ultratunt material som kallas svart fosfor, som kan ställas in för att avge ljus vid olika våglängder genom att ändra antalet lager som används. De hoppas kunna utveckla enheter med det nödvändiga antalet lager för att de ska kunna avge ljus vid de två våglängderna medan de förblir kompatibla med kisel.

"Förhoppningen är att om vi kan kommunicera på chip via optiska signaler istället för elektroniska signaler, vi kommer att kunna göra det snabbare, och samtidigt som den förbrukar mindre ström, "Säger Jarillo-Herrero.