荷兰研发能够发光的硅合金 将芯片内/芯片间的通信速度提高1000倍

数十年来，让硅发光是微电子行业内的制胜法宝（Holy Grail），如果能够解决该难题将彻底变革计算行业，因为芯片的速度将比以往时候快得多。据外媒报道，荷兰埃因霍温理工大学（Eindhoven University of Technology）的研究人员就研发了一款能够发光的硅合金。目前，该团队正在研发一种能够集成到芯片中的硅激光器。

（图片来源：埃因霍温理工大学）

目前以半导体为基础的技术已经遇到了研发瓶颈，限制研发进展的因素在于热量。当电子穿过连接到芯片上许多晶体管的铜线时，会产生电阻，而电阻就会造成热量。为了继续推进数据传输，就需要研发一种不会产生热量的新技术。

与电子相反，光子不会产生电阻。由于光子既没有质量，也没有电荷，在穿过材料时，散射得更少，因此不会产生热量，进而能源消耗也会减少。此外，利用光学通信装置取代芯片内的电气通信装置，可以将芯片内以及芯片之间的通信速度提高1000倍。数据中心将可从中受益最大，因为数据传输更快，冷却系统的能耗就更少。不过，此类光子芯片也能够实现新的应用，如用于自动驾驶汽车的激光雷达、用于医疗诊断或测量空气和食物质量的化学传感器等。

（图片来源：埃因霍温理工大学）

在芯片中利用光需要用到集成式激光器。计算机芯片的半导体材料主要由硅制成，但是大块的硅发光效率极低，长期以来，都被认为无法在光子学中发挥作用。因此，科学家们转而研究更加复杂的半导体，如砷化镓和磷化铟。此类半导体的发光性能很好，但是价格比硅贵，而且很难集成至现有的硅制微芯片中。

为了打造出可与硅兼容的激光器，科学家们需要制造出一种能够发光的硅。埃因霍温理工大学的研究人员与奥地利林茨大学（the universities of Jena, Linz）以及慕尼黑大学的研究人员一起，将硅和锗合成了一个能够发光的六边形结构。

埃因霍温理工大学首席研究员Erik Bakkers表示：“关键在于半导体的带隙。如果一个电子能够从导带“掉”到价带，半导体就会发出光子：光。”

但是，如果导带与价带相互取代，则成为了间接带隙，就不会发出光子，如硅的情况一样。不过，历经50年的研究证明，六边形结构的硅锗合金确实存在一个直接带隙，因而可能能够发光。

（图片来源：埃因霍温理工大学）

不过，将硅塑造成六边形结构并不容易。然而，Bakkers及其团队掌握了纳米线生长技术，早在2015年就能够制造出六边形的硅。首先，他们利用另一种具有六边形晶体结构的材料生长纳米线，实现了一个纯六边形硅，然后再在该模板上培育出硅锗外壳。

但是，直到现在，还是不能让其发光。Bakkers团队通过减少杂质和晶体缺陷的数量，成功提高了六边形硅锗外壳的质量。当利用激光刺激纳米线时，可以测量出新材料的效率。另一名负责测量发光现象的研究员表示：“我们的实验表明，此种材料的结构是正确的，没有缺陷，能够有效地发光。”

Bakkers表示，现在打造激光器只是时间问题。“到目前为止，我们打造的合金的光学性能几乎可与磷化铟和砷化镓的媲美，而且还在大幅提高材料的质量。如果一切顺利，我们可以在2020年打造出一种硅基激光器，从而能够在主导电子设备平台上紧密集成光学功能，实现芯片光学通信以及基于光谱学的经济型化学传感器。”

与此同时，Bakkers的团队还在研究如何将该六边形硅集成至方形硅微电子设备中，这是完成该项研究的重要前提。