Het uitstralen van licht uit silicium is al tientallen jaren de heilige graal in de micro-elektronica-industrie. Het oplossen van deze puzzel zou een revolutie teweegbrengen in computergebruik, omdat chips sneller dan ooit zullen worden. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben nu een legering ontwikkeld met silicium die licht kan uitstralen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur . Het team gaat nu een siliciumlaser ontwikkelen die in de huidige chips wordt geïntegreerd.

De huidige technologie op basis van halfgeleiders bereikt zijn plafond. De beperkende factor is warmte, als gevolg van de weerstand die de elektronen ervaren bij het reizen door de koperen lijnen die de vele transistors op een chip verbinden. Om de gegevensoverdracht verder te ontwikkelen, is een nieuwe techniek nodig die geen warmte produceert.

In tegenstelling tot elektronen, fotonen ondervinden geen weerstand. Omdat ze geen massa of lading hebben, ze zullen minder verstrooien in het materiaal waar ze doorheen reizen, en er wordt dus geen warmte geproduceerd. Het energieverbruik wordt dus verminderd. Bovendien, door elektrische communicatie binnen een chip te vervangen door optische communicatie, de snelheid van on-chip en chip-to-chip communicatie kan worden verhoogd met een factor 1000. Datacenters zouden het meest profiteren, met snellere gegevensoverdracht en minder energieverbruik voor koelsystemen. Maar deze fotonische chips brengen ook nieuwe toepassingen binnen handbereik. Denk aan lasergebaseerde radar voor zelfrijdende auto's en chemische sensoren voor medische diagnose of voor het meten van lucht- en voedselkwaliteit.

Een vallend elektron zendt een foton uit

Het gebruik van licht in chips vereist een geïntegreerde laser. Het belangrijkste halfgeleidermateriaal waaruit computerchips zijn gemaakt, is silicium. Maar bulksilicium is extreem inefficiënt in het uitstralen van licht, en lang werd gedacht dat het geen rol speelde in fotonica. Dus, wetenschappers wendden zich tot complexere halfgeleiders, zoals galliumarsenide en indiumfosfide. Deze zijn goed in het uitstralen van licht, maar zijn duurder dan silicium, en zijn moeilijk te integreren in bestaande siliciummicrochips.

Om een ​​siliciumcompatibele laser te maken, de wetenschappers moesten een vorm van silicium maken die licht kan uitstralen. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e), samen met onderzoekers van de universiteiten van Jena, Linz en München, gecombineerd silicium en germanium in een zeshoekige structuur die licht kan uitstralen, een doorbraak na 50 jaar werk.

Zeshoekige structuur

"De crux ligt in de aard van de zogenaamde bandgap van een halfgeleider, ", zegt hoofdonderzoeker Erik Bakkers van de TU/e. "Als een elektron van de geleidingsband naar de valentieband 'valt', een halfgeleider zendt een foton uit:licht."

Maar als de geleidingsband en de valentieband ten opzichte van elkaar worden verplaatst, wat een indirecte bandgap wordt genoemd, er kunnen geen fotonen worden uitgezonden, zoals bij silicium het geval is. "Een 50 jaar oude theorie toonde aan, echter, dat silicium gelegeerd met germanium en gevormd in een hexagonale structuur een directe bandafstand heeft, en kan daardoor mogelijk licht uitstralen, ’, zegt Bakkers.

Vormgeven van silicium in een zeshoekige structuur, echter, is niet makkelijk. Terwijl Bakkers en zijn team de techniek van het kweken van nanodraden onder de knie kregen, ze waren in staat om in 2015 hexagonaal silicium te maken. Ze realiseerden puur hexagonaal silicium door eerst nanodraden te kweken die gemaakt waren van een ander materiaal met een hexagonale kristalstructuur. Daarna groeiden ze een silicium-germanium schaal op deze sjabloon. Elham Fadaly, gedeelde eerste auteur van de Natuur papier, zegt, "We hebben dit zo kunnen doen dat de siliciumatomen zijn gebouwd op de zeshoekige sjabloon, en hierdoor dwongen de siliciumatomen te groeien in de hexagonale structuur."

Silicium laser

Maar ze konden ze geen licht laten uitstralen, tot nu. Bakkers team slaagde erin de kwaliteit van de zeshoekige silicium-germanium schelpen te verhogen door het aantal onzuiverheden en kristaldefecten te verminderen. Wanneer de nanodraad wordt opgewonden met een laser, ze konden de efficiëntie van het nieuwe materiaal meten. Alain Dijkstra, gedeelde eerste auteur en de onderzoeker die verantwoordelijk is voor het meten van de lichtemissie, zegt, "Onze experimenten toonden aan dat het materiaal de juiste structuur heeft, en dat het vrij is van gebreken. Het straalt heel efficiënt licht uit."

Het maken van een laser is nu een kwestie van tijd, zegt Bakker. "Tegen deze tijd, we hebben optische eigenschappen gerealiseerd die bijna vergelijkbaar zijn met indiumfosfide en galliumarsenide, en de kwaliteit van de materialen verbetert sterk. Als alles soepel verloopt, we kunnen in 2020 een op silicium gebaseerde laser maken. Dit zou een nauwe integratie van optische functionaliteit in het dominante elektronicaplatform mogelijk maken, wat de vooruitzichten voor optische communicatie op de chip en betaalbare chemische sensoren op basis van spectroscopie zou breken."

Ondertussen, zijn team onderzoekt ook hoe het hexagonale silicium kan worden geïntegreerd in kubische siliciummicro-elektronica, wat een belangrijke voorwaarde is voor dit werk. Dit onderzoeksproject is gefinancierd door het EU-project SiLAS, gecoördineerd door TU/e-hoogleraar Jos Haverkort.