數(shù)十年來(lái)，讓硅發(fā)光是微電子行業(yè)內(nèi)的制勝法寶（Holy Grail），如果能夠解決該難題將徹底變革計(jì)算行業(yè)，因?yàn)樾酒乃俣葘⒈纫酝鶗r(shí)候快得多。據(jù)外媒報(bào)道，荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)（Eindhoven University of Technology）的研究人員就研發(fā)了一款能夠發(fā)光的硅合金。目前，該團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)一種能夠集成到芯片中的硅激光器。
目前以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的技術(shù)已經(jīng)遇到了研發(fā)瓶頸，限制研發(fā)進(jìn)展的因素在于熱量。當(dāng)電子穿過(guò)連接到芯片上許多晶體管的銅線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電阻，而電阻就會(huì)造成熱量。為了繼續(xù)推進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸，就需要研發(fā)一種不會(huì)產(chǎn)生熱量的新技術(shù)。
與電子相反，光子不會(huì)產(chǎn)生電阻。由于光子既沒(méi)有質(zhì)量，也沒(méi)有電荷，在穿過(guò)材料時(shí)，散射得更少，因此不會(huì)產(chǎn)生熱量，進(jìn)而能源消耗也會(huì)減少。此外，利用光學(xué)通信裝置取代芯片內(nèi)的電氣通信裝置，可以將芯片內(nèi)以及芯片之間的通信速度提高1000倍。數(shù)據(jù)中心將可從中受益最大，因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸更快，冷卻系統(tǒng)的能耗就更少。不過(guò)，此類(lèi)光子芯片也能夠?qū)崿F(xiàn)新的應(yīng)用，如用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的激光雷達(dá)、用于醫(yī)療診斷或測(cè)量空氣和食物質(zhì)量的化學(xué)傳感器等。
在芯片中利用光需要用到集成式激光器。計(jì)算機(jī)芯片的半導(dǎo)體材料主要由硅制成，但是大塊的硅發(fā)光效率極低，長(zhǎng)期以來(lái)，都被認(rèn)為無(wú)法在光子學(xué)中發(fā)揮作用。因此，科學(xué)家們轉(zhuǎn)而研究更加復(fù)雜的半導(dǎo)體，如砷化鎵和磷化銦。此類(lèi)半導(dǎo)體的發(fā)光性能很好，但是價(jià)格比硅貴，而且很難集成至現(xiàn)有的硅制微芯片中。
為了打造出可與硅兼容的激光器，科學(xué)家們需要制造出一種能夠發(fā)光的硅。埃因霍溫理工大學(xué)的研究人員與奧地利林茨大學(xué)（the universities of Jena, Linz）以及慕尼黑大學(xué)的研究人員一起，將硅和鍺合成了一個(gè)能夠發(fā)光的六邊形結(jié)構(gòu)。
埃因霍溫理工大學(xué)首席研究員Erik Bakkers表示：“關(guān)鍵在于半導(dǎo)體的帶隙。如果一個(gè)電子能夠從導(dǎo)帶“掉”到價(jià)帶，半導(dǎo)體就會(huì)發(fā)出光子：光?！?BR> 但是，如果導(dǎo)帶與價(jià)帶相互取代，則成為了間接帶隙，就不會(huì)發(fā)出光子，如硅的情況一樣。不過(guò)，歷經(jīng)50年的研究證明，六邊形結(jié)構(gòu)的硅鍺合金確實(shí)存在一個(gè)直接帶隙，因而可能能夠發(fā)光。
不過(guò)，將硅塑造成六邊形結(jié)構(gòu)并不容易。然而，Bakkers及其團(tuán)隊(duì)掌握了納米線生長(zhǎng)技術(shù)，早在2015年就能夠制造出六邊形的硅。首先，他們利用另一種具有六邊形晶體結(jié)構(gòu)的材料生長(zhǎng)納米線，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)純六邊形硅，然后再在該模板上培育出硅鍺外殼。
但是，直到現(xiàn)在，還是不能讓其發(fā)光。Bakkers團(tuán)隊(duì)通過(guò)減少雜質(zhì)和晶體缺陷的數(shù)量，成功提高了六邊形硅鍺外殼的質(zhì)量。當(dāng)利用激光刺激納米線時(shí)，可以測(cè)量出新材料的效率。另一名負(fù)責(zé)測(cè)量發(fā)光現(xiàn)象的研究員表示：“我們的實(shí)驗(yàn)表明，此種材料的結(jié)構(gòu)是正確的，沒(méi)有缺陷，能夠有效地發(fā)光?！?BR> Bakkers表示，現(xiàn)在打造激光器只是時(shí)間問(wèn)題。“到目前為止，我們打造的合金的光學(xué)性能幾乎可與磷化銦和砷化鎵的媲美，而且還在大幅提高材料的質(zhì)量。如果一切順利，我們可以在2020年打造出一種硅基激光器，從而能夠在主導(dǎo)電子設(shè)備平臺(tái)上緊密集成光學(xué)功能，實(shí)現(xiàn)芯片光學(xué)通信以及基于光譜學(xué)的經(jīng)濟(jì)型化學(xué)傳感器?！?BR> 與此同時(shí)，Bakkers的團(tuán)隊(duì)還在研究如何將該六邊形硅集成至方形硅微電子設(shè)備中，這是完成該項(xiàng)研究的重要前提。
（轉(zhuǎn)載）
