Att avge ljus från kisel har varit den heliga gralen i mikroelektronikindustrin i decennier. Att lösa detta pussel skulle revolutionera datorer, eftersom chips kommer att bli snabbare än någonsin. Forskare från Eindhoven tekniska universitet har nu utvecklat en legering med kisel som kan avge ljus. Resultaten har publicerats i tidningen Natur . Teamet kommer nu att utveckla en kisellaser som ska integreras i nuvarande chips.

Nuvarande teknik baserad på halvledare når sitt tak. Den begränsande faktorn är värme, på grund av det motstånd som elektronerna upplever när de färdas genom kopparledningarna som förbinder de många transistorerna på ett chip. För att fortsätta avancera dataöverföring krävs en ny teknik som inte producerar värme.

I motsats till elektroner, fotoner upplever inte motstånd. Eftersom de inte har någon massa eller laddning, de kommer att sprida mindre i materialet de reser genom, och därför produceras ingen värme. Energiförbrukningen kommer därför att minska. Dessutom, genom att ersätta elektrisk kommunikation inom ett chip med optisk kommunikation, hastigheten för on-chip och chip-to-chip-kommunikation kan ökas med en faktor 1000. Datacenter skulle gynnas mest, med snabbare dataöverföring och mindre energianvändning för kylsystem. Men dessa fotoniska chips kommer också att ge nya applikationer inom räckhåll. Tänk på laserbaserad radar för självkörande bilar och kemiska sensorer för medicinsk diagnos eller för att mäta luft- och matkvalitet.

Tappande elektron avger en foton

Att använda ljus i chips kräver en integrerad laser. Det huvudsakliga halvledarmaterialet som datachips är tillverkade av är kisel. Men bulk kisel är extremt ineffektivt för att avge ljus, och var länge tänkt att spela ingen roll i fotonik. Således, forskare vände sig till mer komplexa halvledare, såsom galliumarsenid och indiumfosfid. Dessa är bra på att avge ljus, men är dyrare än kisel, och är svåra att integrera i befintliga kiselmikrochips.

För att skapa en kiselkompatibel laser, forskarna behövde producera en form av kisel som kan avge ljus. Forskare från Eindhoven tekniska universitet (TU/e), tillsammans med forskare från universiteten i Jena, Linz och München, kombinerat kisel och germanium i en sexkantig struktur som kan avge ljus, ett genombrott efter 50 års arbete.

Sexkantig struktur

"Kärnpunkten ligger i det så kallade bandgapet hos en halvledare, "säger huvudforskaren Erik Bakkers från TU/e." Om en elektron "tappar" från ledningsbandet till valensbandet, en halvledare avger en foton:ljus. "

Men om ledningsbandet och valensbandet förskjuts i förhållande till varandra, som kallas en indirekt bandgap, inga fotoner kan avges - som är fallet med kisel. "En 50-årig teori visade, dock, att kisel legerat med germanium och format i en sexkantig struktur har ett direkt bandgap, och därför potentiellt kan avge ljus, säger Bakkers.

Formande kisel i en sexkantig struktur, dock, är inte enkelt. När Bakkers och hans team behärskade tekniken att odla nanotrådar, de kunde skapa sexkantigt kisel 2015. De insåg rent sexkantigt kisel genom att först odla nanotrådar av ett annat material med en sexkantig kristallstruktur. Sedan odlade de ett kisel-germaniumskal på den här mallen. Elham Fadaly, delade första författare till Natur papper, säger, "Vi kunde göra detta så att kiselatomerna är byggda på den sexkantiga mallen, och genom detta tvingade kiselatomerna att växa i den sexkantiga strukturen. "

Kisellaser

Men de kunde inte få dem att avge ljus, tills nu. Bakkers team lyckades öka kvaliteten på de sexkantiga kisel-germaniumskal genom att minska antalet föroreningar och kristalldefekter. När du spänner nanotråden med en laser, de kunde mäta effektiviteten hos det nya materialet. Alain Dijkstra, delade författaren och forskaren som är ansvarig för att mäta ljusutsläpp, säger, "Våra experiment visade att materialet har rätt struktur, och att den är fri från defekter. Det avger ljus mycket effektivt. "

Att skapa en laser är nu en tidsfråga, Säger Bakkers. "Vid det här laget, vi har insett optiska egenskaper som nästan är jämförbara med indiumfosfid och galliumarsenid, och materialkvaliteten förbättras kraftigt. Om det går smidigt, vi kan skapa en kiselbaserad laser 2020. Detta skulle möjliggöra en tät integration av optisk funktionalitet i den dominerande elektronikplattformen, vilket skulle bryta upp möjligheterna för optisk kommunikation på chip och prisvärda kemiska sensorer baserade på spektroskopi. "

Sålänge, hans team undersöker också hur man integrerar det sexkantiga kislet i kubisk kiselmikroelektronik, vilket är en viktig förutsättning för detta arbete. Detta forskningsprojekt har finansierats av EU -projektet SiLAS, samordnas av TU/e ​​professor Jos Haverkort.