- Onderzoek
- 09/04/2020
TU/e’ers maken weg vrij voor fotonische chips van silicium
Onderzoekers onder leiding van TU/e-hoogleraar Erik Bakkers hebben een legering met silicium ontwikkeld die licht kan uitzenden. Op basis van dit resultaat komen snellere en vooral energiezuinigere ‘fotonische’ computerchips op basis van standaard siliciumtechnologie binnen handbereik. De resultaten zijn woensdagmiddag gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Het team maakt nu een siliciumlaser om in de huidige chips te integreren.
Door de elektrische communicatie binnen een chip te vervangen door optische communicatie, kan het energieverbruik fors worden teruggebracht en kan bovendien de snelheid van de communicatie in de chip én tussen de chips met een factor duizend worden verhoogd. Datacenters profiteren hiervan het meest, met een snellere gegevensoverdracht en minder energieverbruik voor hun koelsysteem. Maar de fotonische chips brengen ook nieuwe toepassingen binnen handbereik. Denk aan een radar met laser voor zelfrijdende auto's en chemische sensoren voor medische diagnose of voor het meten van de lucht- en voedselkwaliteit.
Om licht in chips te kunnen gebruiken, heb je een lichtbron nodig; een geïntegreerde laser. Het belangrijkste halfgeleidermateriaal waarvan computerchips nu gemaakt zijn, is silicium. Maar silicium is extreem inefficiënt in het uitzenden van licht. Daarom werd lang gedacht dat het geen rol zou spelen in de fotonica. Wetenschappers hebben zich hierdoor gericht op complexere halfgeleiders, zoals galliumarsenide en indiumfosfide. Deze zijn goed in het uitzenden van licht, maar zijn duurder dan silicium en moeilijk te integreren in bestaande silicium-microchips.
Om een volledige siliciumlaser te maken, moesten wetenschappers een vorm van silicium vinden die licht kan uitstralen. Dat is precies waar Erik Bakkers en zijn collega’s van de TU/e nu in geslaagd zijn. Samen met onderzoekers van de universiteiten van Jena, Linz en München combineerden ze silicium en germanium in een zeshoekige kristalstructuur die licht kan uitstralen. Een doorbraak na vijftig jaar werk.
Bandkloof
"De crux zit hem in de aard van de zogenoemde bandkloof van een halfgeleider", zeg Bakkers. "Als een elektron van de geleidingsband naar de valentieband 'valt', zendt een halfgeleider een foton uit: licht." Maar als de geleidingsband en de valentieband niet recht tegenover elkaar staan - ook wel een indirecte bandkloof genoemd - zenden ze geen fotonen uit. Dat is bij silicium het geval. "Een vijftig jaar oude theorie toonde echter aan dat silicium gelegeerd met germanium en gevormd in een zeshoekige kristalstructuur, wél een directe bandkloof heeft, en dus mogelijk licht kan uitzenden," zegt Bakkers.
Het vormen van silicium in een zeshoekige kristalstructuur is echter niet eenvoudig. Omdat Bakkers en zijn team de techniek van het groeien van nanodraden onder de knie hebben, waren ze in 2015 in staat om zeshoekig silicium te maken. Ze realiseerden dit zuivere zeshoekige silicium door eerst nanodraden te groeien van een ander materiaal, met een hexagonale kristalstructuur. Vervolgens hebben ze een silicium-germaniumschil op dit sjabloon laten groeien.
Siliciumlaser
Maar het zeshoekige silicium kon op dat moment nog geen licht uitstralen, tot nu. Het team van Bakkers slaagde er sinds 2015 in om de kwaliteit van het zeshoekige silicium-germanium te verhogen door het aantal onzuiverheden en kristalgebreken te verminderen. Door vervolgens de nanodraad met een laser te beschijnen, konden ze de efficiëntie van het nieuwe materiaal meten.
Een laser maken is nu een kwestie van tijd, denkt Bakkers. "Inmiddels hebben we optische eigenschappen gerealiseerd die bijna vergelijkbaar zijn met indiumfosfide en galliumarsenide. Bovendien is de kwaliteit van de materialen sterk verbeterd. Als alles goed gaat, kunnen we nog dit jaar een laser maken op basis van silicium. Dit maakt het mogelijk om optische functionaliteit te integreren in het dominante elektronicaplatform. Daarmee zullen we de vooruitzichten voor optische communicatie op de chip en betaalbare chemische sensoren op basis van spectroscopie openbreken.”
Intussen onderzoekt zijn team ook hoe het zeshoekige silicium in de kubusvormige silicium-micro-elektronica kan worden geïntegreerd, wat een belangrijke voorwaarde is voor dit werk. Dit onderzoeksproject is gefinancierd door het EU-project SiLAS, gecoördineerd door TU/e-hoogleraar Jos Haverkort.
Het artikel is ook te lezen op arXiv.org
Discussie