宽禁带联盟得益于砷化镓，荷兰成功将芯片内的通信速度提高1000倍
【宽禁带联盟得益于砷化镓，荷兰成功将芯片内的通信速度提高1000倍】
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图片来源：拍信图库
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 。
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 。
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 。
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 。
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