革命性的发光硅–经过50年的努力，“圣杯”取得了突破

金属有机气相外延（MOVPE）内部的外观。该机器用于生长具有六角形硅锗壳的纳米线。这种六角形SiGe合金的发射非常有效，适合开始生产全硅激光器。

数十年来，硅发光一直是微电子行业的“圣杯”。解决这一难题将彻底改变计算，因为芯片将变得比以往任何时候都更快。埃因霍温科技大学的研究人员现已成功：他们开发了一种可以发光的硅合金。结果已发表在journalNature上。该团队现在将开始创建可集成到当前芯片中的硅激光器。

每年我们使用并产生大量数据。但是，我们当前基于电子芯片的技术正在达到极限。限制因素是热量，这是由于电子穿过连接芯片上许多晶体管的铜线时遇到的电阻而产生的。如果我们希望每年继续传输越来越多的数据，则需要一种不会产生热量的新技术。引入光子学，它使用光子（光粒子）来传输数据。

共享的第一作者Elham Fadaly（左）和Alain Dijkstra（右）使用光学装置来测量发射的光。六角形SiGe合金的发射非常有效，适合开始生产全硅激光器。

与电子相反，光子没有电阻。由于它们没有质量或电荷，因此它们在经过的材料中的散射较少，因此不会产生热量。因此将减少能量消耗。此外，通过用光通信代替芯片内的电通信，可以将芯片上和芯片对芯片通信的速度提高1000倍。数据中心将受益最大，因为其冷却系统的数据传输速度更快，能耗更低。但是这些光子芯片也将带来新的应用范围。想想基于激光的雷达，它可用于自动驾驶汽车，以及用于医学诊断或测量空气和食品质量的化学传感器。

滴下的电子发出光子

要使用芯片中的光，您将需要一个光源。集成激光器。计算机芯片制造的主要半导体材料是硅。但是，体硅的发光效率极低，因此长期以来人们一直认为硅在光子学中不起作用。因此，科学家转向了更复杂的半导体，例如砷化镓和磷化铟。它们具有良好的发光性能，但比硅更昂贵，并且难以集成到现有的硅微芯片中。

共同的第一作者Elham Fadaly正在经营金属有机气相外延（MOVPE）。这台机器可以生长带有六角形硅锗壳的纳米线。这种六角形SiGe合金的发射非常有效，适合开始生产全硅激光器。

为了制造与硅兼容的激光器，科学家需要生产一种可以发光的硅。这正是埃因霍温科技大学（TU / e）的研究人员成功接班的。他们与耶拿大学，林茨大学和慕尼黑大学的研究人员一起，将硅和锗结合成能够发光的六边形结构。经过50年的努力，取得了突破。

六角结构

TU / e的首席研究员Erik Bakkers说：“关键是所谓的半导体带隙。“如果电子从导带“下降”到价带，则半导体会发出光子：光。但是，如果导带和价带相对于彼此发生位移（称为间接带隙），则不会发射光子-硅中就是这种情况。Bakkers说：“然而，已有50年之久的理论表明，与锗合金化且呈六边形结构的硅确实具有直接的带隙，因此有可能发光。”

然而，将硅成形为六边形结构并不容易。当Bakkers和他的团队掌握了生长纳米线的技术时，他们能够在2015年制造六角形硅。他们通过首先生长由另一种材料制成的具有六角形晶体结构的纳米线，实现了纯六角形硅。然后他们在此模板上生长了硅锗壳。《自然报》的第一作者艾勒姆·法达利（Elham Fadaly）：“我们能够做到这一点，从而使硅原子建立在六边形模板上，并由此迫使硅原子在六边形结构中生长。”

硅激光

但是直到现在，它们还不能使它们发光。Bakkers团队设法通过减少杂质和晶体缺陷的数量来提高六角形锗硅壳的质量。当用激光激发纳米线时，他们可以测量新材料的效率。Alain Dijkstra，也是该论文的第一作者，并负责测量光发射：“我们的实验表明，这种材料具有正确的结构，并且没有缺陷。它非常有效地发光。”

Bakkers认为，现在制造激光是一个时间问题。“到目前为止，我们已经实现了几乎可以与磷化铟和砷化镓媲美的光学性能，并且材料质量正在急剧提高。”如果一切顺利，我们可以在2020年制造出基于硅的激光器。这将使光学功能紧密集成到主要的电子平台中，这将打破片上光通信和基于光谱学的价格合理的化学传感器的广阔前景。

同时，他的团队也正在研究如何将六方硅集成到立方硅微电子学中，这是这项工作的重要前提。

参考：Elham MT Fadaly，Alain Dijkstra，JensRenèSuckert，Dorian Ziss，Marvin AJ van Tilburg，Chenyang Mao，Yizhen Ren，Victor T. van Lange，Ksenia Korzun，SebastianKölling， Marcel A.Verheijen，David Busse，ClaudiaRödl，JürgenFurthmüller，Friedhelm Bechstedt，Julian Stangl，Jonathan J.Finley，Silvana Botti，Jos EM Haverkort和Erik PAM Bakkers，2020年4月8日，自然。
10.1038 / s41586-020-2150-y

该研究项目由欧盟项目SiLAS资助，由TU / e教授Jos Haverkort协调。