De enorme toename van de computerprestaties in de afgelopen decennia is bereikt door steeds meer transistors in een kleinere ruimte op microchips te persen.

Echter, deze inkrimping betekende ook dat de bedrading in microprocessors steeds strakker op elkaar werd gepakt, wat leidt tot effecten zoals signaallekkage tussen componenten, die de communicatie tussen verschillende delen van de chip kan vertragen. Deze vertraging, bekend als de "interconnect bottleneck, " wordt een steeds groter probleem in high-speed computersystemen.

Een manier om het interconnect-knelpunt aan te pakken, is door licht te gebruiken in plaats van draden om te communiceren tussen verschillende delen van een microchip. Dit is geen gemakkelijke taak, echter, als silicium, het materiaal dat wordt gebruikt om chips te maken, straalt niet gemakkelijk licht uit, volgens Pablo Jarillo-Herrero, een universitair hoofddocent natuurkunde aan het MIT.

Nutsvoorzieningen, in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Nanotechnologie , onderzoekers beschrijven een lichtzender en detector die kunnen worden geïntegreerd in silicium CMOS-chips. De eerste auteur van het artikel is MIT-postdoc Ya-Qing Bie, die wordt vergezeld door Jarillo-Herrero en een interdisciplinair team waaronder Dirk Englund, een universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica aan het MIT.

Het apparaat is gemaakt van een halfgeleidermateriaal dat molybdeenditelluride wordt genoemd. Deze ultradunne halfgeleider behoort tot een opkomende groep materialen die bekend staat als tweedimensionale overgangsmetaal dichalcogeniden.

In tegenstelling tot conventionele halfgeleiders, het materiaal kan op siliciumwafels worden gestapeld, zegt Jarillo-Herrero.

"Onderzoekers hebben geprobeerd materialen te vinden die compatibel zijn met silicium, om opto-elektronica en optische communicatie op de chip te brengen, maar tot nu toe is dit erg moeilijk gebleken, " zegt Jarillo-Herrero. "Bijvoorbeeld, galliumarsenide is zeer goed voor optica, maar het kan niet zo gemakkelijk op silicium worden gekweekt omdat de twee halfgeleiders incompatibel zijn."

In tegenstelling tot, het 2-D molybdeen ditelluride kan mechanisch worden bevestigd aan elk materiaal, zegt Jarillo-Herrero.

Een andere moeilijkheid bij het integreren van andere halfgeleiders met silicium is dat de materialen typisch licht uitstralen in het zichtbare bereik, maar licht op deze golflengten wordt eenvoudig geabsorbeerd door silicium.

Molybdeen ditelluride straalt licht uit in het infraroodbereik, die niet wordt geabsorbeerd door silicium, wat betekent dat het kan worden gebruikt voor communicatie op de chip.

Om het materiaal als lichtzender te gebruiken, moesten de onderzoekers het eerst ombouwen tot een P-N junction diode, een apparaat waarin de ene kant, de P-kant, is positief geladen, terwijl de andere, N kant, is negatief geladen.

In conventionele halfgeleiders, dit wordt typisch gedaan door chemische onzuiverheden in het materiaal te introduceren. Met de nieuwe klasse van 2D-materialen, echter, het kan worden gedaan door eenvoudig een spanning aan te leggen over metalen poortelektroden die naast elkaar op het materiaal zijn geplaatst.

“Dat is een belangrijke doorbraak, omdat het betekent dat we geen chemische onzuiverheden in het materiaal hoeven te introduceren [om de diode te maken]. We kunnen het elektrisch doen, ' zegt Jarillo-Herrero.

Zodra de diode is geproduceerd, de onderzoekers laten een stroom door het apparaat lopen, waardoor het licht uitstraalt.

"Dus door diodes te gebruiken die gemaakt zijn van molybdeenditelluride, we zijn in staat om light-emitting diodes (LED's) te fabriceren die compatibel zijn met siliciumchips, ' zegt Jarillo-Herrero.

Het apparaat kan ook worden geschakeld om als fotodetector te werken, door de polariteit van de op het apparaat toegepaste spanning om te draaien. Dit zorgt ervoor dat het stopt met het geleiden van elektriciteit totdat er een licht op schijnt, wanneer de stroom opnieuw start.

Op deze manier, de apparaten kunnen zowel optische signalen verzenden als ontvangen.

Het apparaat is een proof of concept, en er moet nog veel werk worden verzet voordat de technologie kan worden ontwikkeld tot een commercieel product, zegt Jarillo-Herrero.

De onderzoekers onderzoeken nu andere materialen die kunnen worden gebruikt voor optische communicatie op de chip.

De meeste telecommunicatiesystemen, bijvoorbeeld, werken met licht met een golflengte van 1,3 of 1,5 micrometer, zegt Jarillo-Herrero.

Echter, molybdeen ditelluride straalt licht uit van 1,1 micrometer. Dit maakt het geschikt voor gebruik in de siliciumchips in computers, maar ongeschikt voor telecommunicatiesystemen.

"Het zou zeer wenselijk zijn als we een soortgelijk materiaal zouden kunnen ontwikkelen, die licht kan uitzenden en detecteren met een golflengte van 1,3 of 1,5 micrometer, waar telecommunicatie via glasvezel werkt, " hij zegt.

Hiertoe, de onderzoekers onderzoeken een ander ultradun materiaal genaamd zwarte fosfor, die kan worden afgestemd om licht op verschillende golflengten uit te zenden door het aantal gebruikte lagen te wijzigen. Ze hopen apparaten te ontwikkelen met het benodigde aantal lagen zodat ze licht kunnen uitstralen op de twee golflengten terwijl ze compatibel blijven met silicium.

"De hoop is dat als we op de chip kunnen communiceren via optische signalen in plaats van elektronische signalen, we zullen dit sneller kunnen doen, en terwijl het minder stroom verbruikt, ' zegt Jarillo-Herrero.