計算機芯片中的晶體管是電力性工作元件。如果能為計算機芯片插上“光學(xué)傳輸”的翅膀，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣葘⒋蟠筇嵘?。因此，研究人員一直致力于尋找將激光直接集成到硅芯片中的方法。據(jù)《自然·光子學(xué)》雜志近日報道，法國巴黎納米科學(xué)與技術(shù)中心（C2N）、意法半導(dǎo)體公司（STME）和格勒諾布爾公司（CLG）等向著這一目標(biāo)前進了一步。他們開發(fā)了一種可兼容的鍺-錫半導(dǎo)體激光器，其效率可與傳統(tǒng)砷化鎵半導(dǎo)體激光器相媲美。

氮化硅和鋁構(gòu)成的“應(yīng)力層”上涂覆有幾微米厚的鍺-錫層。在氮化硅晶格的定向作用下，研究人員可以獲得光學(xué)放大效果。

光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率和傳輸范圍均優(yōu)于電子處理模式，并且能耗更低。在未來，光學(xué)解決方案將更多地應(yīng)用于板-板和芯片-芯片級短距離數(shù)據(jù)傳輸。其中，人工智能系統(tǒng)因為需要錄入大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練算法，將由此受益匪淺。

FSJ研究人員Detlev Grützmacher教授解釋說：“目前，廉價激光器是我們?nèi)狈Φ淖铌P(guān)鍵組件。能夠與硅基CMOS技術(shù)兼容的電泵激光器將是理想的選擇。然而，純硅是一種‘間接半導(dǎo)體’，不適合作為激光材料。為此，研究人員一般會選擇III-V族化合物復(fù)合半導(dǎo)體為替代品，然而它們的晶格結(jié)構(gòu)與硅完全不同。因此，激光元件只能先在外部制造，然后再進行集成。這樣的處理方式導(dǎo)致了成本的激增?！?/p>

相比之下，鍺-錫激光器可以直接在CMOS生產(chǎn)過程中制造。早在2015年，F(xiàn)SJ的研究人員就證實過，鍺-錫系統(tǒng)可以實現(xiàn)激光發(fā)射，而且錫含量是影響激光器性能的決定性因素。FSJ研究人員Dan Buca博士說：“從本質(zhì)上講，純鍺是一種與硅類似的間接半導(dǎo)體。錫使其轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃旒す庠吹闹苯影雽?dǎo)體?！?/p>

FSJ開發(fā)的外延生長工藝技術(shù)已經(jīng)被全球多個研究小組所采用。通過進一步提高錫含量，激光器已經(jīng)能夠在0℃下工作。然而，錫含量過高又會降低激光效率。

研究人員Nils von den Driesch說：“為了使激光器具有相對較高的泵浦功率，我們以增加材料應(yīng)力的方式彌補了錫含量降低導(dǎo)致的性能損失。”通過優(yōu)化錫含量和泵浦功率，激光器產(chǎn)生的余熱非常少，成為第一款既能在脈沖狀態(tài)下工作，又能在連續(xù)工作狀態(tài)下運轉(zhuǎn)的IV族半導(dǎo)體激光器。

除用于光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸外，新型激光器還在紅外技術(shù)、夜視系統(tǒng)和氣體傳感器等方面有潛在應(yīng)用價值。

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