Каждый год мы используем и производим значительно больше данных. Но наши нынешние технологии, основанные на электронных чипах, достигают своего предела. Ограничивающим фактором является тепло, возникающее из-за сопротивления, которое электроны испытывают при прохождении через медные линии, соединяющие множество транзисторов на кристалле.
Если мы хотим продолжать передавать все больше и больше данных с каждым годом, нам нужен новый метод, который не выделяет тепла. Добавьте фотонику, которая использует фотоны (световые частицы) для передачи данных.
В отличие от электронов фотоны не испытывают сопротивления. Поскольку у них нет массы или заряда, они будут меньше рассеиваться в материале, через который они проходят, и, следовательно, не выделяется тепла.
Таким образом, потребление энергии будет снижено. Более того, заменяя электрическую связь внутри микросхемы оптической связью, скорость внутрикристальной и межкристальной связи может быть увеличена в 1000 раз. Центры обработки данных выиграют больше всего благодаря более быстрой передаче данных и меньшему потреблению энергии для их системы охлаждения. Но эти фотонные чипы также откроют доступ к новым приложениям.
Подумайте о лазерном радаре для беспилотных автомобилей и химических датчиках для медицинской диагностики или для измерения качества воздуха и продуктов питания.
Падающий электрон испускает фотон
Чтобы использовать свет в микросхемах, вам понадобится источник света; интегрированный лазер. Основным полупроводниковым материалом, из которого сделаны компьютерные микросхемы, является кремний.
Но объемный кремний крайне неэффективен при излучении света, поэтому долгое время считалось, что он не играет никакой роли в фотонике. Таким образом, ученые обратились к более сложным полупроводникам, таким как арсенид галлия и фосфид индия.
Они хорошо излучают свет, но стоят дороже, чем кремний, и их трудно интегрировать в существующие кремниевые микрочипы.
Чтобы создать лазер, совместимый с кремнием, ученым нужно было создать форму кремния, которая может излучать свет. Именно это и удалось исследователям из Технологического университета Эйндховена (TU / e).
Вместе с исследователями из университетов Йены, Линца и Мюнхена они объединили кремний и германий в гексагональную структуру, способную излучать свет. Прорыв после 50 лет работы.
Гексагональная структура
«Суть заключается в природе так называемой запрещенной зоны полупроводника», – говорит ведущий исследователь Эрик Баккерс из TU / e. «Если электрон« падает »из зоны проводимости в валентную зону, полупроводник излучает фотон: свет.«Но если зона проводимости и валентная зона смещены друг относительно друга, что называется непрямой запрещенной зоной, излучение фотонов невозможно – как в случае кремния. «Теория 50-летней давности показала, что кремний, легированный германием, имеющий гексагональную структуру, действительно имеет прямую запрещенную зону и, следовательно, потенциально может излучать свет», – говорит Баккерс.
Однако придать кремнию гексагональную структуру непросто. Осваивая технику выращивания нанопроволок, Баккерс и его команда смогли создать гексагональный кремний в 2015 году. Они создали чистый гексагональный кремний, сначала выращивая нанопроволоки из другого материала с гексагональной кристаллической структурой.
Затем по этому шаблону вырастили кремний-германиевую оболочку. Эльхам Фадали, первый автор статьи в Nature: «Мы смогли сделать это так, что атомы кремния построены на гексагональном шаблоне, и тем самым заставили атомы кремния расти в гексагональной структуре."
Кремниевый лазер
Но они еще не могли заставить их излучать свет, до сих пор. Команде Bakkers удалось повысить качество гексагональных кремний-германиевых оболочек за счет уменьшения количества примесей и дефектов кристаллов. При возбуждении нанопроволоки лазером они могли измерить эффективность нового материала. Ален Дейкстра, также поделился первым автором статьи и ответственным за измерение светового излучения: «Наши эксперименты показали, что материал имеет правильную структуру и не имеет дефектов.
Очень эффективно излучает свет."
Баккерс считает, что создание лазера – вопрос времени. «К настоящему времени мы реализовали оптические свойства, которые почти сравнимы с фосфидом индия и арсенидом галлия, и качество материалов резко улучшается.
Если все пойдет гладко, мы сможем создать кремниевый лазер в 2020 году. Это обеспечит тесную интеграцию оптических функций в доминирующую электронную платформу, что откроет перспективы для встроенной оптической связи и доступных химических датчиков на основе спектроскопии."
Тем временем его команда также исследует, как интегрировать гексагональный кремний в кубическую кремниевую микроэлектронику, что является важной предпосылкой для этой работы.
Этот исследовательский проект финансируется проектом ЕС SiLAS, координатором которого является профессор Университета ТУ / е Йос Хаверкорт.