導讀: 數十年來，硅發光一直是微電子行業的追求目標。解決這個難題將會為計算領域帶來革命性的改變——芯片的處理速度將會更快?？蒲泄ぷ髡攥F在已經取得了成功：他們已經成功地開發了一種可以發光的硅合金。這個研究團隊正在制作可以集成的目前主流芯片上的硅激光器。
近日，來自Eindhoven University of Technology的科研人員成功地研發出可以發光的硅合金。他們的研究成果發表在Nature期刊上，經過多年的努力，這一突破性成果為未來光子芯片的發展鋪平了道路。
每年我們都會創造并運用大量的數據。但是現在的數據容量已經達到了電子芯片技術處理的頂峰。最主要的影響因素是發熱，這是由于電子在連接晶體管之間的銅導線中傳輸時會遇到電阻。如果我們想傳輸更多的數據，我們需要一個不產熱的新技術。利用光子傳輸數據可以解決這個問題的。
相比于電子，光子不會遇到阻礙。它們沒有靜止質量也不帶電荷，當它們在材料中"穿隧"時被散射的很少，所以它們基本不會產熱。能量損耗的很少。此外，利用光子代替電子，單個芯片上的通信或芯片與芯片之間的通信速度會有千倍的提升。數據中心將會因此獲益很多，因為傳輸的速度更快而且損耗也很少。光子芯片也將會有很寬廣的應用前景。比如自動駕駛汽車中的激光雷達；醫療診斷，空氣檢測或食品質量檢測中的傳感器。
電子躍遷產生光子
要使用光子芯片，你需要光源：一個可以集成到芯片上的激光器。計算芯片最主要的半導體材料是硅。但是硅的發光效率極低，因此長期以來人們都認為硅在光子學中的作用不會太大。所以科學家轉去研究更復雜的半導體材料，例如砷化鎵和磷化銦。這些材料具有較好的發光特性，但是價格比較昂貴，并且很難集成到現有的以硅為主的微芯片中。
為了制造與現有硅芯片兼容的激光器，科學家需要生產一種可以發光的硅。這正是Eindhoven University Technology成功解決的一個問題，他們與其他團隊聯合研發了一種可以發光的硅和鍺的六棱柱結構。這是50年來的一項重大突破。
六邊形結構
來自Eindhoven University Technology的首席研究人員Erik Bakklers說："問題的關鍵就半導體中的帶隙 "。電子從導帶落到價帶，半導體輻射一個光子。但是像硅這種價帶與導帶之間有一段間接帶隙，是不會輻射光子的。"然而，一個已有50年之久的理論表明，與鍺以六邊形結構合金化的硅是可以發光的 " Bakkers說。
然而，將硅六邊形化不是一件容易的事情。Bakkers和他的團隊擅長生長納米線的技術。他們在2015年制作了六邊形的硅。他們首先通過其它材料制成具有六邊形晶體的納米線，最終實現了純六邊形硅。接著基于該模板他們生長出了硅鍺合金。該篇文章的共同第一作者Elham Fadaly說："我們可以利用硅原子構建的六邊形模板，進而迫使硅原子以六邊形結構為基礎進行生長"。
硅激光器
但是他們一直沒有能使其發光。Bakkers團隊通過減少雜質和晶體缺陷的數量來提高六邊形硅鍺合金的質量。通過利用激光去激發納米線，他們可以測量材料的效率。負責測量材料發光性能的另一個共同第一作者Alan Dijkatrs說：“ 實驗表明，我們的結構很好，沒有缺陷，它可以很有效地發光”。
Bakkers認為制作激光器只是時間問題。“到目前為止，我們已經實現了幾乎可以和磷化銦和砷化鎵相媲美的光學性能，而且材料的質量還在急劇提高。如果一切進展順利，我們將會在今年制作出以硅為基礎的激光器。這將會使光學功能緊密地集成到目前的電子學平臺上，這將會給片上通信以及基于光譜學的化學傳感等領域帶來新的天地”
參考文獻
[1] Elham M. T. Fadaly, Alain Dijkstra, Jens Renè Suckert, Dorian Ziss, Marvin A. J. van Tilburg, Chenyang Mao, Yizhen Ren, Victor T. van Lange, Ksenia Korzun, Sebastian K?lling, Marcel A. Verheijen, David Busse, Claudia R?dl, Jürgen Furthmüller, Friedhelm Bechstedt, Julian Stangl, Jonathan J. Finley, Silvana Botti, Jos E. M. Haverkort, Erik P. A. M. Bakkers. Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys. Nature, 2020; 580 (7802): 205 DOI: 10.1038/s41586-020-2150-y
[2] Eindhoven University of Technology. "Revolutionary light-emitting silicon: Breakthrough after 50 years of work paves the way for photonic chips." ScienceDaily. ScienceDaily, 8 April 2020<www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200408113250.htm>.
