導讀

據荷蘭埃因霍芬理工大學官網近日報道，該校研究人員開發出一種能發光的含矽合金，目前正在開始創造一款整合到現有晶片中的矽鐳射器。

背景

現在，我們正處於一個資訊大爆炸的時代，使用和生產的資料都在急劇增長。

（圖片來源：謝菲爾德大學）

為了順應這一趨勢，滿足資料處理的需求，半導體技術正在不斷髮展。著名的摩爾定律曾指出：“當價格不變時，積體電路上可容納的電晶體數目，約每隔18個月便會增加一倍，效能也將提升一倍。”

摩爾定律-積體電路晶片上電晶體數量（1976-2016）（圖片來源：維基百科）

然而，現在摩爾定律卻正面臨嚴峻挑戰。電晶體尺寸正在迅速逼近物理極限，近期的電晶體模型的寬度大約低至10奈米（約30個原子）。可是如果一顆晶片上的電晶體封裝得太緊，就會帶來各種問題：電子交通堵塞，過熱以及奇怪的量子效應。因此，科學家們正在考慮許多的替代技術，其中之一就是光子學，即利用光子傳輸資料。

（圖片來源：Getty Images）

與電子相比，光子不會產生電阻。因為它們沒有品質以及電荷，所以穿過材料時在其內部發散得很少，因此不會產生熱量，從而使能耗降低。此外，在晶片內用光通訊代替電通訊，能使晶片上和晶片間的通訊速度增加千倍。

光子晶片（圖片來源：布里斯托大學）

隨著資料傳輸得更快，散熱系統使用的能量更少，資料中心的受益最多。此外，一些觸手可及的新應用，例如無人駕駛汽車的鐳射雷達以及醫療診斷或者測量空氣和食品品質所用的化學感測器，也將得益於光子晶片。

為了在晶片中使用光線，你會需要一個光源：一個整合的鐳射器。製造計算機晶片所用的主要半導體材料是矽。但是，塊狀矽發光效率極低，因此長久以來一直被認為無法在光子學中發揮作用。因此，科學家們轉向了更加複雜的半導體，例如砷化鎵和磷化銦。這些發光效能雖好，但是卻比矽更加昂貴，難以整合到現有的矽晶片中。

創新

為了解決利用矽來發光的難題，徹底改變計算機技術，讓晶片將變得比以前更快，近日荷蘭埃因霍芬理工大學（TU/e）開發出了一種能發光的含矽合金。研究成果發表在《自然》期刊上。現在，該團隊正在開始創造一款整合到現有晶片中的矽鐳射器。

下圖所示：金屬有機汽相外延生長（MOVPE）機器內部。該機器用於生長具有六方矽-鍺外殼的奈米線。

（圖片來源：Nando Harmsen, TU/e）

技術

為了創造一款相容矽的鐳射器，科學家們需要製造出一種可以發光的矽。埃因霍芬理工大學的研究人員們現在正是在這一點上取得了成功。他們與耶拿大學、林茨大學和慕尼黑大學的研究人員一起，用矽和鍺結合成一種能夠發光的六方結構。在經過五十年的工作之後，研究人員們才取得這一突破。

埃因霍芬理工大學的領導研究員 Erik Bakkers 表示：“問題的關鍵在於半導體的所謂‘帶隙’天性。如果一個電子從導帶‘跌落’至價帶，半導體就會產生一個光子（發光）。”但是如果導帶和價帶互相重疊，也就是所謂的間接帶隙，就不會發光，這就是矽中的情況。Bakkers 表示：“然而，一個五十年曆史的理論表明，一種六方結構的矽鍺合金，含有直接帶隙，因此可能會發光。”

然而，讓矽形成一種六方結構並不簡單。Bakkers 及其團隊掌握了納米線生長技術之後，在2015年創造出了六方矽。他們首先通過生長由另一種具有六方晶體結構的材料製成的奈米線，實現了純淨的六方矽。然後，他們在這個模板上生長矽鍺外殼。

具有六方矽-鍺外殼的奈米線。（圖片來源：TU/e）

論文第一作者 Elham Fadaly 表示：“我們能夠做到這一點，這樣一來，矽原子可以在六方模板上構造，從而使得矽原子可以在六方結構上生長。”

下圖所示：共同第一作者 Elham Fadaly 正在操作金屬有機汽相外延生長（MOVPE）機器。該機器生長具有六方矽-鍺外殼的奈米線。

（圖片來源：Sicco van Grieken, SURF）

但是，目前他們還沒有使這種結構發光。Bakkers 團隊設法通過減少雜質和晶體缺陷的數量，提高六方矽-鍺外殼的品質。他們用鐳射照射奈米線，測量這種新材料的效率。論文的共同第一作者、負責測量光輻射的 Alain Dijkstra 表示：“我們的實驗表明，材料具有正確的結構，並且沒有缺陷。它的發光效率非常高。”

下圖所示：共同第一作者 Elham Fadaly （左） 與 Alain Dijkstra （右）操作一個光學裝置測量發出的光線。六方矽鍺合金發出的光線非常高效並且適合開始製造相容矽的鐳射器。

（圖片來源：Sicco van Grieken, SURF）

Bakkers 認為，現在創造鐳射器只是時間問題。他說：“目前，我們已經實現了幾乎可與磷化銦和砷化鎵媲美的光學特性，並且材料的品質正在逐步提高。如果一切進展順利，我們可以在2020年內創造出矽基鐳射器。這將實現在主要電子平臺上緊密整合的光學功能，為晶片上的光學通訊以及基於光譜學的平價化學感測器帶來新的前景。”

與此同時，他的團隊也在研究如何在立方矽微電子器件中整合六方矽，它是這項工作的一個重要前提。該研究專案得到了歐盟專案 SiLAS 的資助，由埃因霍芬理工大學教授 Jos Haverkort 負責協調。

關鍵字

光子、矽、晶片、鐳射

參考資料

【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/