新型硅鍺合金將為光子芯片的發(fā)展開辟新前景

（文章來源：環(huán)球創(chuàng)新智慧）
如今，我們正處于一個(gè)信息大爆炸的時(shí)代，使用和生產(chǎn)的數(shù)據(jù)都在急劇增長。

為了順應(yīng)這一趨勢，滿足數(shù)據(jù)處理的需求，半導(dǎo)體技術(shù)正在不斷發(fā)展。著名的摩爾定律曾指出：“當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍?！?/p>

然而，如今摩爾定律卻正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。晶體管尺寸正在迅速逼近物理極限，近期的晶體管模型的寬度大約低至10納米（約30個(gè)原子）。可是如果一顆芯片上的晶體管封裝得太緊，就會(huì)帶來各種問題：電子交通堵塞，過熱以及奇怪的量子效應(yīng)。因此，科學(xué)家們正在考慮許多的替代技術(shù)，其中之一就是光子學(xué)，即利用光子傳輸數(shù)據(jù)。

與電子相比，光子不會(huì)產(chǎn)生電阻。因?yàn)樗鼈儧]有質(zhì)量以及電荷，所以穿過材料時(shí)在其內(nèi)部發(fā)散得很少，因此不會(huì)產(chǎn)生熱量，從而使能耗降低。此外，在芯片內(nèi)用光通信代替電通信，能使芯片上和芯片間的通信速度增加千倍。

隨著數(shù)據(jù)傳輸?shù)酶欤嵯到y(tǒng)使用的能量更少，數(shù)據(jù)中心的受益最多。此外，一些觸手可及的新應(yīng)用，例如無人駕駛汽車的激光雷達(dá)以及醫(yī)療診斷或者測量空氣和食品質(zhì)量所用的化學(xué)傳感器，也將得益于光子芯片。

為了在芯片中使用光線，你會(huì)需要一個(gè)光源：一個(gè)集成的激光器。制造計(jì)算機(jī)芯片所用的主要半導(dǎo)體材料是硅。但是，塊狀硅發(fā)光效率極低，因此長久以來一直被認(rèn)為無法在光子學(xué)中發(fā)揮作用。因此，科學(xué)家們轉(zhuǎn)向了更加復(fù)雜的半導(dǎo)體，例如砷化鎵和磷化銦。這些發(fā)光性能雖好，但是卻比硅更加昂貴，難以整合到現(xiàn)有的硅芯片中。

為了解決利用硅來發(fā)光的難題，徹底改變計(jì)算機(jī)技術(shù)，讓芯片將變得比以前更快，近日荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)（TU/e）開發(fā)出了一種能發(fā)光的含硅合金。研究成果發(fā)表在《自然》期刊上?，F(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)正在開始創(chuàng)造一款集成到現(xiàn)有芯片中的硅激光器。為了創(chuàng)造一款兼容硅的激光器，科學(xué)家們需要制造出一種可以發(fā)光的硅。埃因霍芬理工大學(xué)的研究人員們現(xiàn)在正是在這一點(diǎn)上取得了成功。他們與耶拿大學(xué)、林茨大學(xué)和慕尼黑大學(xué)的研究人員一起，用硅和鍺結(jié)合成一種能夠發(fā)光的六方結(jié)構(gòu)。在經(jīng)過五十年的工作之后，研究人員們才取得這一突破。

埃因霍芬理工大學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)研究員 Erik Bakkers 表示：“問題的關(guān)鍵在于半導(dǎo)體的所謂‘帶隙’天性。如果一個(gè)電子從導(dǎo)帶‘跌落’至價(jià)帶，半導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光子（發(fā)光）?！钡侨绻麑?dǎo)帶和價(jià)帶互相重疊，也就是所謂的間接帶隙，就不會(huì)發(fā)光，這就是硅中的情況。Bakkers 表示：“然而，一個(gè)五十年歷史的理論表明，一種六方結(jié)構(gòu)的硅鍺合金，含有直接帶隙，因此可能會(huì)發(fā)光。”

然而，讓硅形成一種六方結(jié)構(gòu)并不簡單。Bakkers 及其團(tuán)隊(duì)掌握了納米線生長技術(shù)之后，在2015年創(chuàng)造出了六方硅。他們首先通過生長由另一種具有六方晶體結(jié)構(gòu)的材料制成的納米線，實(shí)現(xiàn)了純凈的六方硅。然后，他們在這個(gè)模板上生長硅鍺外殼。論文第一作者 Elham Fadaly 表示：“我們能夠做到這一點(diǎn)，這樣一來，硅原子可以在六方模板上構(gòu)造，從而使得硅原子可以在六方結(jié)構(gòu)上生長。”

但是，目前他們還沒有使這種結(jié)構(gòu)發(fā)光。Bakkers 團(tuán)隊(duì)設(shè)法通過減少雜質(zhì)和晶體缺陷的數(shù)量，提高六方硅-鍺外殼的質(zhì)量。他們用激光照射納米線，測量這種新材料的效率。論文的共同第一作者、負(fù)責(zé)測量光輻射的 Alain Dijkstra 表示：“我們的實(shí)驗(yàn)表明，材料具有正確的結(jié)構(gòu)，并且沒有缺陷。它的發(fā)光效率非常高?！?/p>

Bakkers 認(rèn)為，現(xiàn)在創(chuàng)造激光器只是時(shí)間問題。他說：“目前，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾乎可與磷化銦和砷化鎵媲美的光學(xué)特性，并且材料的質(zhì)量正在逐步提高。如果一切進(jìn)展順利，我們可以在2020年內(nèi)創(chuàng)造出硅基激光器。這將實(shí)現(xiàn)在主要電子平臺上緊密集成的光學(xué)功能，為芯片上的光學(xué)通信以及基于光譜學(xué)的平價(jià)化學(xué)傳感器帶來新的前景。”

與此同時(shí)，他的團(tuán)隊(duì)也在研究如何在立方硅微電子器件中集成六方硅，它是這項(xiàng)工作的一個(gè)重要前提。該研究項(xiàng)目得到了歐盟項(xiàng)目 SiLAS 的資助，由埃因霍芬理工大學(xué)教授 Jos Haverkort 負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)。
（責(zé)任編輯：fqj）