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荷兰研发能够发光的硅合金 将芯片内/芯片间的通信速度提高1000倍

2020-05-15 09:30:21

数十年来,让硅发光是微电子行业内的制胜法宝(Holy Grail),如果能够解决该难题将彻底变革计算行业,因为芯片的速度将比以往时候快得多。据外媒报道,荷兰埃因霍温理工大学(Eindhoven University of Technology)的研究人员就研发了一款能够发光的硅合金。目前,该团队正在研发一种能够集成到芯片中的硅激光器。


(图片来源:埃因霍温理工大学)

目前以半导体为基础的技术已经遇到了研发瓶颈,限制研发进展的因素在于热量。当电子穿过连接到芯片上许多晶体管的铜线时,会产生电阻,而电阻就会造成热量。为了继续推进数据传输,就需要研发一种不会产生热量的新技术。

与电子相反,光子不会产生电阻。由于光子既没有质量,也没有电荷,在穿过材料时,散射得更少,因此不会产生热量,进而能源消耗也会减少。此外,利用光学通信装置取代芯片内的电气通信装置,可以将芯片内以及芯片之间的通信速度提高1000倍。数据中心将可从中受益最大,因为数据传输更快,冷却系统的能耗就更少。不过,此类光子芯片也能够实现新的应用,如用于自动驾驶汽车的激光雷达、用于医疗诊断或测量空气和食物质量的化学传感器等。


(图片来源:埃因霍温理工大学)

在芯片中利用光需要用到集成式激光器。计算机芯片的半导体材料主要由硅制成,但是大块的硅发光效率极低,长期以来,都被认为无法在光子学中发挥作用。因此,科学家们转而研究更加复杂的半导体,如砷化镓和磷化铟。此类半导体的发光性能很好,但是价格比硅贵,而且很难集成至现有的硅制微芯片中。

为了打造出可与硅兼容的激光器,科学家们需要制造出一种能够发光的硅。埃因霍温理工大学的研究人员与奥地利林茨大学(the universities of Jena, Linz)以及慕尼黑大学的研究人员一起,将硅和锗合成了一个能够发光的六边形结构。

埃因霍温理工大学首席研究员Erik Bakkers表示:“关键在于半导体的带隙。如果一个电子能够从导带“掉”到价带,半导体就会发出光子:光。”

但是,如果导带与价带相互取代,则成为了间接带隙,就不会发出光子,如硅的情况一样。不过,历经50年的研究证明,六边形结构的硅锗合金确实存在一个直接带隙,因而可能能够发光。


(图片来源:埃因霍温理工大学)

不过,将硅塑造成六边形结构并不容易。然而,Bakkers及其团队掌握了纳米线生长技术,早在2015年就能够制造出六边形的硅。首先,他们利用另一种具有六边形晶体结构的材料生长纳米线,实现了一个纯六边形硅,然后再在该模板上培育出硅锗外壳。

但是,直到现在,还是不能让其发光。Bakkers团队通过减少杂质和晶体缺陷的数量,成功提高了六边形硅锗外壳的质量。当利用激光刺激纳米线时,可以测量出新材料的效率。另一名负责测量发光现象的研究员表示:“我们的实验表明,此种材料的结构是正确的,没有缺陷,能够有效地发光。”

Bakkers表示,现在打造激光器只是时间问题。“到目前为止,我们打造的合金的光学性能几乎可与磷化铟和砷化镓的媲美,而且还在大幅提高材料的质量。如果一切顺利,我们可以在2020年打造出一种硅基激光器,从而能够在主导电子设备平台上紧密集成光学功能,实现芯片光学通信以及基于光谱学的经济型化学传感器。”

与此同时,Bakkers的团队还在研究如何将该六边形硅集成至方形硅微电子设备中,这是完成该项研究的重要前提。


来源:上海锦町实业整理自盖世汽车

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