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雖然說硅集成電路的制程技術還在極為緩慢的進步當中，但除了生產愈來愈困難之外，目前的組件大小也已經逼近物體上的極限，因此我們勢必要開始尋找替代的技術，來讓運算速度能進一步加快。這當中一個相當有希望，但科學家花了 50 年都還搞不定的技術，就是將硅芯片「光學化」，通過光而非電子進行信息的傳遞。如此一來不僅可以更進一步縮小芯片，而且耗能、發(fā)熱都會比現(xiàn)有的芯片減少很多。

然而，硅本身的特性，意味著要在芯片上制作發(fā)光單元是件極為困難的事。目前的研究方向大多集中在將額外的一層砷化鎵或磷化銦布于硅基之上，由這些額外的化合物來擔任發(fā)光的工作。但這種作法的缺點是除了工序麻煩外，在芯片的布設上也會多有限制。

金屬有機氣相外延（MOVPE）內部的外觀。該機器用于生長具有六角形硅鍺殼的納米線。

荷蘭埃因霍溫科技大學（Technische Universiteit Eindhoven）這次發(fā)布的技術則是不用其他的材料，直接利用了硅晶體本身來發(fā)光。他們突破了硅元素自身限制的方法，是將其混入微量鍺元素后，讓合金長成六角型的棒狀結構。這種納米級的構造加上其材料，能產生足以讓其發(fā)光的能隙，使得硅芯片自身發(fā)光成為可能。

共有第一作者Elham Fadaly，正在操作金屬有機氣相外延(MOVPE)。這臺機器用來生長六角形硅鍺殼的納米線。

與電子相反，光子沒有電阻。由于它們沒有質量或電荷，因此它們在經過的材料中的散射較少，不會產生熱量。因此將減少能量消耗。此外，通過用光通信代替芯片內的電通信，可以將芯片上和芯片間通信的速度提高1000倍。數(shù)據(jù)中心將受益最大，因為數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸速度更快且能耗更低冷卻系統(tǒng)。但是這些光子芯片也將帶來新的應用范圍。想想用于自動駕駛汽車的激光雷達和用于醫(yī)學診斷或測量空氣和食品質量的化學傳感器。

讓硅直接產生光子

要使用芯片中的光，您將需要一個光源--集成激光器。計算機芯片制成的主要半導體材料是硅。但是硅的發(fā)光效率極低，因此長期以來人們一直認為硅在光子學中不起作用。因此，科學家轉向了更復雜的半導體，例如砷化鎵和磷化銦。它們具有良好的發(fā)光性能，但比硅更昂貴，并且難以集成到現(xiàn)有的硅芯片中。

為了制造與硅兼容的激光器，科學家需要生產一種可以發(fā)光的硅。正是這正是埃因霍溫科技大學的研究人員的重要成果。他們與耶拿大學、林茨大學和慕尼黑大學的研究人員一起，將硅和鍺結合成能夠發(fā)光的六邊形結構。經過50年的努力，取得了突破。

具有六角形硅鍺殼的納米線

六角結構

埃因霍溫科技大學的首席研究員Erik Bakkers說：“關鍵是所謂的半導體帶隙。“

“如果一個電子從傳導帶‘跌落’到價帶，半導體就會發(fā)出光子。“但如果傳導帶和價帶相互取代，這被稱為間接帶隙，就不會像硅那樣發(fā)射光子。”Bakkers說：“然而，一項有50年歷史的理論表明，六邊形結構的硅合金鍺確實有一個直接的帶隙，因此有可能發(fā)光。”

然而，將硅成形為六邊形結構并不容易。由于Bakkers和他的團隊掌握了生長納米線的技術，因此他們能夠在2015年制造六角形硅。他們通過首先生長由另一種材料制成的具有六角形晶體結構的納米線，實現(xiàn)了純六角形硅。然后他們在此模板上生長了硅鍺殼。《自然》雜志的第一作者艾勒姆·法達利（Elham Fadaly）：“我們能夠做到這一點，使得硅原子建立在六邊形模板上，從而迫使硅原子以六邊形結構生長。”

硅激光

但之前多年的努力他們還不能讓它們發(fā)出光，直到現(xiàn)在才得以實現(xiàn)。Bakkers團隊設法通過減少雜質和晶體缺陷的數(shù)量來提高六角形硅鍺殼的質量。當用激光激發(fā)納米線時，他們可以測量新材料的效率。lain Dijkstra，也是該論文的第一作者，并負責測量光發(fā)射。"我們的實驗表明，這種材料具有正確的結構，而且沒有缺陷。它的發(fā)光效率非常高。"

共享第一作者Elham Fadaly（左）和Alain Dijkstra（右）使用光學裝置來測量發(fā)射的光。

Bakkers認為，現(xiàn)在制造激光是一個時間問題。“到目前為止，我們已經實現(xiàn)了幾乎可以與磷化銦和砷化鎵相媲美的光學性能，并且材料質量正在急劇提高。如果一切順利，我們將在2020年制造出基于硅的激光器。這將使光學功能與主流電子平臺緊密集成，這將打破片上光通信和基于光譜學的價格合理的化學傳感器的廣闊前景。”

與此同時，他的團隊還在研究如何在立方硅微電子中集成六邊形硅，這也是這項工作的重要前提。該研究項目得到了歐盟項目SiLAS的資助。