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幾十年來，“硅發(fā)光”一直是微電子行業(yè)的圣杯，解決這個(gè)難題將徹底改變計(jì)算，因?yàn)槭芤嬗诖耍酒瑢⒆兊帽纫酝魏螘r(shí)候都快。
近日，埃因霍溫理工大學(xué)（TU/e）的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種硅合金，這種硅合金可以發(fā)光，實(shí)現(xiàn)光子傳輸。該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在將在此基礎(chǔ)上開發(fā)一種硅激光器，集成到當(dāng)前芯片中。
圖源：埃因霍溫科技大學(xué)
光子通信代替電子通信，芯片提速1000倍
目前以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的技術(shù)正在達(dá)到頂峰，但限制因素是熱量。
在電子電路中，數(shù)據(jù)通常通過電子流傳輸，而電子流在通過芯片晶體管的銅線和許多電阻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量熱量。這意味著數(shù)據(jù)量越大，電子流傳輸產(chǎn)生的熱量越多。若要繼續(xù)推進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸，則需要一種不產(chǎn)生熱量的新技術(shù)——光子傳輸。
最近，埃因霍溫科技大學(xué)的一項(xiàng)新研究表明，硅可以發(fā)射光子來傳輸數(shù)據(jù)，傳輸過程中并不會(huì)帶來熱量，可以消除高能耗芯片與芯片間通信帶來熱量過多，導(dǎo)致傳輸緩慢的問題。
使用光學(xué)裝置來測(cè)量發(fā)射的光
圖源：埃因霍溫科技大學(xué)
光纖中通常是通過光子來攜帶信息而不是電子。與電子相反，光子不經(jīng)歷電阻，由于它們沒有質(zhì)量或電荷，它們?cè)谒ㄟ^的材料中的散射會(huì)更少，因此不會(huì)產(chǎn)生熱量，能源消耗將減少。
此外，通過用光通信代替芯片內(nèi)的電子通信，芯片內(nèi)和芯片間通信的速度可以提高1000倍，數(shù)據(jù)中心將受益匪淺，數(shù)據(jù)傳輸速度更快，冷卻系統(tǒng)能耗更低。而且這些光子芯片也將帶來觸手可及的新應(yīng)用，想一想激光雷達(dá)自動(dòng)駕駛汽車和化學(xué)傳感器的醫(yī)療診斷、測(cè)量空氣和食品質(zhì)量。
不過，在芯片中使用光需要集成激光器，但計(jì)算機(jī)芯片的主要半導(dǎo)體材料硅在發(fā)光方面效率極低，因此硅長(zhǎng)期以來被認(rèn)為在光子學(xué)中不起作用，而光子芯片也遲遲沒能成為現(xiàn)實(shí)。
于是，科學(xué)家們開始轉(zhuǎn)向了能隙寬的半導(dǎo)體，例如砷化鎵和磷化銦，兩者都擅長(zhǎng)發(fā)光。一個(gè)歐洲財(cái)團(tuán)的研究人員對(duì)砷化鎵的量子光子波導(dǎo)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，還有加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員也研究了高功率磷化銦光子集成電路。
但砷化鎵和磷化銦的根本問題在于，它們很難集成到現(xiàn)有的硅微芯片中，不能與硅很好地發(fā)揮作用，而且兩者本身都很昂貴，成本實(shí)在太高。
因此，埃因霍溫科技大學(xué)的研究人員認(rèn)識(shí)到，硅仍然是當(dāng)今制造絕大多數(shù)IC的首選材料，如果硅也可以發(fā)射光子并由此增強(qiáng)數(shù)據(jù)通信，同時(shí)消除熱量問題，對(duì)于設(shè)計(jì)者來說，可是莫大的福音。
突破：六角形硅鍺終于發(fā)光
接下來，研究人員開展了數(shù)年對(duì)這種發(fā)光硅解決方案的研究。
他們遇到最大的問題是硅的間接帶隙阻止了硅的發(fā)光，為此，他們把目光投向了將硅與鍺結(jié)合成六邊形結(jié)構(gòu)的方法，希望從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射和透射光的直接帶隙。
來自TU/e的首席研究員Erik Bakkers說：
“關(guān)鍵在于所謂的半導(dǎo)體帶隙的性質(zhì)，如果電子從導(dǎo)帶‘滴’到價(jià)帶，半導(dǎo)體就會(huì)發(fā)出光子。但是，如果導(dǎo)帶和價(jià)帶相互位移（稱為間接帶隙），就不能像硅那樣發(fā)射光子。不過，一個(gè)50年前的理論表明，與鍺合金并形成六邊形結(jié)構(gòu)的硅確實(shí)具有直接的帶隙，因此可能會(huì)發(fā)光。”
但顯然理想與現(xiàn)實(shí)往往不是同一回事。2015年，埃因霍溫科技大學(xué)的研究人員發(fā)表了一篇論文，論證了將磷化鎵制成的六角形外殼用作六角形硅的模板。他們成功地在六角形外殼中生產(chǎn)了硅，但事實(shí)證明該外殼無法透射或發(fā)光。
不過，近期該研究迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。在Erik Bakkers的帶領(lǐng)下，許多相同的研究人員已經(jīng)設(shè)法制造出一種改進(jìn)的六角形硅鍺殼。當(dāng)由外部激光器激發(fā)時(shí)，所得的硅鍺納米線實(shí)際上能夠透射光。
硅鍺殼制成的光導(dǎo)納米線
圖源：埃因霍溫科技大學(xué)
根據(jù)Bakkers的說法，下一步是創(chuàng)建實(shí)際的激光來激發(fā)納米線，當(dāng)然，所謂納米線就是指硅。
2020年，世界首個(gè)硅激光器將現(xiàn)
六角形SiGe合金的發(fā)射非常有效，適合開始生產(chǎn)全硅激光器。但直到現(xiàn)在，還不能使它們發(fā)光。Bakkers團(tuán)隊(duì)正在通過減少雜質(zhì)和晶體缺陷的數(shù)量，設(shè)法提高了六角硅鍺外殼的質(zhì)量，當(dāng)用激光激發(fā)納米線時(shí)，他們可以測(cè)量新材料的效率。
圖源：埃因霍溫科技大學(xué)
AlainDijkstra是第一作者，也是負(fù)責(zé)測(cè)量光發(fā)射的研究人員，他說：“我們的實(shí)驗(yàn)表明，這種材料結(jié)構(gòu)正確，沒有缺陷，它能非常有效地發(fā)光。”
Bakkers說：
“到目前為止，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾乎可以與磷化銦和砷化鎵相媲美的光學(xué)性能，并且材料的質(zhì)量正在急劇提高。如果運(yùn)行平穩(wěn)，我們可以在2020年制造出硅基激光器。這將使光學(xué)功能與主流電子平臺(tái)緊密集成，這將打破片上光通信和基于光譜學(xué)的價(jià)格合理的化學(xué)傳感器的開放前景。”
如此一來，成功研發(fā)出硅激光器，也只是時(shí)間問題。
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