【NEWS】让硅片直接发光！耗时50年终获大突破！荷兰科学家在发光硅晶体研究上取得重大进展，为光学芯片打开道路

虽然说硅集成电路的制程技术还在极为缓慢的进步当中，但除了生产愈来愈困难之外，目前的组件大小也已经逼近物体上的极限，因此我们势必要开始寻找替代的技术，来让运算速度能进一步加快。这当中一个相当有希望，但科学家花了 50 年都还搞不定的技术，就是将硅芯片「光学化」，通过光而非电子进行信息的传递。如此一来不仅可以更进一步缩小芯片，而且耗能、发热都会比现有的芯片减少很多。

然而，硅本身的特性，意味着要在芯片上制作发光单元是件极为困难的事。目前的研究方向大多集中在将额外的一层砷化镓或磷化铟布于硅基之上，由这些额外的化合物来担任发光的工作。但这种作法的缺点是除了工序麻烦外，在芯片的布设上也会多有限制。

            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。

荷兰埃因霍温科技大学（Technische Universiteit Eindhoven）这次发布的技术则是不用其他的材料，直接利用了硅晶体本身来发光。他们突破了硅元素自身限制的方法，是将其混入微量锗元素后，让合金长成六角型的棒状结构。这种纳米级的构造加上其材料，能产生足以让其发光的能隙，使得硅芯片自身发光成为可能。

共有第一作者Elham Fadaly，正在操作金属有机气相外延(MOVPE)。这台机器用来生长六角形硅锗壳的纳米线。

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，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间通信的速度提高1000倍。数据中心将受益最大，因为数据中心的数据传输速度更快且能耗更低冷却系统。但是这些光子芯片也将带来新的应用范围。想想用于自动驾驶汽车的激光雷达和用于医学诊断或测量空气和食品质量的化学传感器。

具有六角形硅锗壳的纳米线

埃因霍温科技大学的首席研究员Erik Bakkers说：“关键是所谓的半导体带隙。“

“如果一个电子从传导带‘跌落’到价带，半导体就会发出光子。“但如果传导带和价带相互取代，这被称为间接带隙，就不会像硅那样发射光子。”Bakkers说：“然而，一项有50年历史的理论表明，六边形结构的硅合金锗确实有一个直接的带隙，因此有可能发光。”

然而，将硅成形为六边形结构并不容易。由于Bakkers和他的团队掌握了生长纳米线的技术，因此他们能够在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》杂志的第一作者艾勒姆·法达利（Elham Fadaly）：“我们能够做到这一点，使得硅原子建立在六边形模板上，从而迫使硅原子以六边形结构生长。”

硅激光

但之前多年的努力他们还不能让它们发出光，直到现在才得以实现。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硅锗壳的质量。当用激光激发纳米线时，他们可以测量新材料的效率。lain 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，而且没有缺陷。它的发光效率非常高。"

共享第一作者Elham Fadaly（左）和Alain Dijkstra（右）使用光学装置来测量发射的光。

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相媲美的光学性能，并且材料质量正在急剧提高。如果一切顺利，我们将在2020年制造出基于硅的激光器。这将使光学功能与主流电子平台紧密集成，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。”

与此同时，他的团队还在研究如何在立方硅微电子中集成六边形硅，这也是这项工作的重要前提。该研究项目得到了欧盟项目SiLAS的资助。