导读: 数十年来，硅发光一直是微电子行业的追求目标。解决这个难题将会为计算领域带来革命性的改变——芯片的处理速度将会更快。科研工作者现在已经取得了成功：他们已经成功地开发了一种可以发光的硅合金。这个研究团队正在制作可以集成的目前主流芯片上的硅激光器。
近日，来自Eindhoven University of Technology的科研人员成功地研发出可以发光的硅合金。他们的研究成果发表在Nature期刊上，经过多年的努力，这一突破性成果为未来光子芯片的发展铺平了道路。
每年我们都会创造并运用大量的数据。但是现在的数据容量已经达到了电子芯片技术处理的顶峰。最主要的影响因素是发热，这是由于电子在连接晶体管之间的铜导线中传输时会遇到电阻。如果我们想传输更多的数据，我们需要一个不产热的新技术。利用光子传输数据可以解决这个问题的。
相比于电子，光子不会遇到阻碍。它们没有静止质量也不带电荷，当它们在材料中"穿隧"时被散射的很少，所以它们基本不会产热。能量损耗的很少。此外，利用光子代替电子，单个芯片上的通信或芯片与芯片之间的通信速度会有千倍的提升。数据中心将会因此获益很多，因为传输的速度更快而且损耗也很少。光子芯片也将会有很宽广的应用前景。比如自动驾驶汽车中的激光雷达；医疗诊断，空气检测或食品质量检测中的传感器。
电子跃迁产生光子
要使用光子芯片，你需要光源：一个可以集成到芯片上的激光器。计算芯片最主要的半导体材料是硅。但是硅的发光效率极低，因此长期以来人们都认为硅在光子学中的作用不会太大。所以科学家转去研究更复杂的半导体材料，例如砷化镓和磷化铟。这些材料具有较好的发光特性，但是价格比较昂贵，并且很难集成到现有的以硅为主的微芯片中。
为了制造与现有硅芯片兼容的激光器，科学家需要生产一种可以发光的硅。这正是Eindhoven University Technology成功解决的一个问题，他们与其他团队联合研发了一种可以发光的硅和锗的六棱柱结构。这是50年来的一项重大突破。
六边形结构
来自Eindhoven University Technology的首席研究人员Erik Bakklers说："问题的关键就半导体中的带隙 "。电子从导带落到价带，半导体辐射一个光子。但是像硅这种价带与导带之间有一段间接带隙，是不会辐射光子的。"然而，一个已有50年之久的理论表明，与锗以六边形结构合金化的硅是可以发光的 " Bakkers说。
然而，将硅六边形化不是一件容易的事情。Bakkers和他的团队擅长生长纳米线的技术。他们在2015年制作了六边形的硅。他们首先通过其它材料制成具有六边形晶体的纳米线，最终实现了纯六边形硅。接着基于该模板他们生长出了硅锗合金。该篇文章的共同第一作者Elham Fadaly说："我们可以利用硅原子构建的六边形模板，进而迫使硅原子以六边形结构为基础进行生长"。
硅激光器
但是他们一直没有能使其发光。Bakkers团队通过减少杂质和晶体缺陷的数量来提高六边形硅锗合金的质量。通过利用激光去激发纳米线，他们可以测量材料的效率。负责测量材料发光性能的另一个共同第一作者Alan Dijkatrs说：“ 实验表明，我们的结构很好，没有缺陷，它可以很有效地发光”。
Bakkers认为制作激光器只是时间问题。“到目前为止，我们已经实现了几乎可以和磷化铟和砷化镓相媲美的光学性能，而且材料的质量还在急剧提高。如果一切进展顺利，我们将会在今年制作出以硅为基础的激光器。这将会使光学功能紧密地集成到目前的电子学平台上，这将会给片上通信以及基于光谱学的化学传感等领域带来新的天地”
参考文献
[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] Eindhoven University of Technology. "Revolutionary light-emitting silicon: Breakthrough after 50 years of work paves the way for photonic chips." ScienceDaily. ScienceDaily, 8 April 2020<www.sciencedaily.com/releases/2020/04/200408113250.htm>.
