导读
据荷兰埃因霍芬理工大学官网近日报道，该校研究人员开发出一种能发光的含硅合金，目前正在开始创造一款集成到现有芯片中的硅激光器。
背景
如今，我们正处于一个信息大爆炸的时代，使用和生产的数据都在急剧增长。
为了顺应这一趋势，满足数据处理的需求，半导体技术正在不断发展。著名的摩尔定律曾指出：“当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。”
摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量（1976-2016）（图片来源：维基百科）
然而，如今摩尔定律却正面临严峻挑战。晶体管尺寸正在迅速逼近物理极限，近期的晶体管模型的宽度大约低至10纳米（约30个原子）。可是如果一颗芯片上的晶体管封装得太紧，就会带来各种问题：电子交通堵塞，过热以及奇怪的量子效应。因此，科学家们正在考虑许多的替代技术，其中之一就是光子学，即利用光子传输数据。
（图片来源：Getty Images）
与电子相比，光子不会产生电阻。因为它们没有质量以及电荷，所以穿过材料时在其内部发散得很少，因此不会产生热量，从而使能耗降低。此外，在芯片内用光通信代替电通信，能使芯片上和芯片间的通信速度增加千倍。
随着数据传输得更快，散热系统使用的能量更少，数据中心的受益最多。此外，一些触手可及的新应用，例如无人驾驶汽车的激光雷达以及医疗诊断或者测量空气和食品质量所用的化学传感器，也将得益于光子芯片。
为了在芯片中使用光线，你会需要一个光源：一个集成的激光器。制造计算机芯片所用的主要半导体材料是硅。但是，块状硅发光效率极低，因此长久以来一直被认为无法在光子学中发挥作用。因此，科学家们转向了更加复杂的半导体，例如砷化镓和磷化铟。这些发光性能虽好，但是却比硅更加昂贵，难以整合到现有的硅芯片中。
创新
为了解决利用硅来发光的难题，彻底改变计算机技术，让芯片将变得比以前更快，近日荷兰埃因霍芬理工大学（TU/e）开发出了一种能发光的含硅合金。研究成果发表在《自然》期刊上。现在，该团队正在开始创造一款集成到现有芯片中的硅激光器。
下图所示：金属有机汽相外延生长（MOVPE）机器内部。该机器用于生长具有六方硅-锗外壳的纳米线。
（图片来源：Nando Harmsen, TU/e）
技术
为了创造一款兼容硅的激光器，科学家们需要制造出一种可以发光的硅。埃因霍芬理工大学的研究人员们现在正是在这一点上取得了成功。他们与耶拿大学、林茨大学和慕尼黑大学的研究人员一起，用硅和锗结合成一种能够发光的六方结构。在经过五十年的工作之后，研究人员们才取得这一突破。
埃因霍芬理工大学的领导研究员 Erik Bakkers 表示：“问题的关键在于半导体的所谓‘带隙’天性。如果一个电子从导带‘跌落’至价带，半导体就会产生一个光子（发光）。”但是如果导带和价带互相重叠，也就是所谓的间接带隙，就不会发光，这就是硅中的情况。Bakkers 表示：“然而，一个五十年历史的理论表明，一种六方结构的硅锗合金，含有直接带隙，因此可能会发光。”
然而，让硅形成一种六方结构并不简单。Bakkers 及其团队掌握了纳米线生长技术之后，在2015年创造出了六方硅。他们首先通过生长由另一种具有六方晶体结构的材料制成的纳米线，实现了纯净的六方硅。然后，他们在这个模板上生长硅锗外壳。
具有六方硅-锗外壳的纳米线。（图片来源：TU/e）
论文第一作者 Elham Fadaly 表示：“我们能够做到这一点，这样一来，硅原子可以在六方模板上构造，从而使得硅原子可以在六方结构上生长。”
下图所示：共同第一作者 Elham Fadaly 正在操作金属有机汽相外延生长（MOVPE）机器。该机器生长具有六方硅-锗外壳的纳米线。
（图片来源：Sicco van Grieken, SURF）
但是，目前他们还没有使这种结构发光。Bakkers 团队设法通过减少杂质和晶体缺陷的数量，提高六方硅-锗外壳的质量。他们用激光照射纳米线，测量这种新材料的效率。论文的共同第一作者、负责测量光辐射的 Alain Dijkstra 表示：“我们的实验表明，材料具有正确的结构，并且没有缺陷。它的发光效率非常高。”
下图所示：共同第一作者 Elham Fadaly （左） 与 Alain Dijkstra （右）操作一个光学装置测量发出的光线。六方硅锗合金发出的光线非常高效并且适合开始制造兼容硅的激光器。
（图片来源：Sicco van Grieken, SURF）
Bakkers 认为，现在创造激光器只是时间问题。他说：“目前，我们已经实现了几乎可与磷化铟和砷化镓媲美的光学特性，并且材料的质量正在逐步提高。如果一切进展顺利，我们可以在2020年内创造出硅基激光器。这将实现在主要电子平台上紧密集成的光学功能，为芯片上的光学通信以及基于光谱学的平价化学传感器带来新的前景。”
与此同时，他的团队也在研究如何在立方硅微电子器件中集成六方硅，它是这项工作的一个重要前提。该研究项目得到了欧盟项目 SiLAS 的资助，由埃因霍芬理工大学教授 Jos Haverkort 负责协调。
关键字
光子、硅、芯片、激光
【1】Elham M. T. Fadaly, Alain Dijkstra, Jens Renè Suckert, Dorian Ziss, Marvin A. J. van Tilburg, Chenyang Mao, Yizhen Ren, Victor T. van Lange, Ksenia Korzun, Sebastian Kölling, Marcel A. Verheijen, David Busse, Claudia Rödl, Jürgen Furthmüller, Friedhelm Bechstedt, Julian Stangl, Jonathan J. Finley, Silvana Botti, Jos E. M. Haverkort, Erik P. A. M. Bakkers. Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys. Nature, 2020; 580 (7802): 205 DOI: 10.1038/s41586-020-2150-y
【2】https://www.tue.nl/en/news/news-overview/08-04-2020-eindhoven-researchers-present-revolutionary-light-emitting-silicon/
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