Uma olhada no interior do Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). Esta máquina foi usada para cultivar nanofios com cascas hexagonais de silício-germânio. A emissão desta liga hexagonal-SiGe mostrou-se bastante eficiente e adequada para iniciar a produção de um laser totalmente de silício. Crédito:Nando Harmsen, Ter
A emissão de luz de silício tem sido o Santo Graal na indústria de microeletrônica por décadas. Resolver esse quebra-cabeça revolucionaria a computação, pois os chips ficarão mais rápidos do que nunca. Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven desenvolveram agora uma liga de silício que pode emitir luz. Os resultados foram publicados na revista Natureza . A equipe desenvolverá agora um laser de silício para ser integrado aos chips atuais.
A tecnologia atual baseada em semicondutores está atingindo seu teto. O fator limitante é o calor, resultante da resistência que os elétrons experimentam ao viajar através das linhas de cobre que conectam os muitos transistores em um chip. Continuar avançando a transferência de dados requer uma nova técnica que não produza calor.
Em contraste com os elétrons, fótons não experimentam resistência. Como eles não têm massa ou carga, eles vão se espalhar menos dentro do material pelo qual viajam, e, portanto, nenhum calor é produzido. O consumo de energia será, portanto, reduzido. Além disso, substituindo a comunicação elétrica dentro de um chip por comunicação óptica, a velocidade da comunicação on-chip e chip a chip pode ser aumentada em um fator de 1000. Os data centers se beneficiariam mais, com transferência de dados mais rápida e menos uso de energia para sistemas de resfriamento. Mas esses chips fotônicos também trarão novas aplicações ao seu alcance. Pense em um radar baseado em laser para carros autônomos e sensores químicos para diagnósticos médicos ou para medir a qualidade do ar e dos alimentos.
Os primeiros autores compartilhados Elham Fadaly (à esquerda) e Alain Dijkstra (à direita) operando uma configuração óptica para medir a luz que é emitida. A emissão da liga hexagonal-SiGe mostrou-se bastante eficiente e adequada para iniciar a produção de um laser totalmente silício. Crédito:Sicco van Grieken, SURF
Queda de elétron emite um fóton
O uso de luz em chips requer um laser integrado. O principal material semicondutor de que os chips de computador são feitos é o silício. Mas o silício em massa é extremamente ineficiente na emissão de luz, e por muito tempo se pensou que não desempenhava nenhum papel na fotônica. Assim, cientistas se voltaram para semicondutores mais complexos, como arsenieto de gálio e fosfeto de índio. Eles são bons em emitir luz, mas são mais caros que o silício, e são difíceis de integrar em microchips de silício existentes.
Para criar um laser compatível com silício, os cientistas precisavam produzir uma forma de silício que pudesse emitir luz. Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven (TU / e), junto com pesquisadores das universidades de Jena, Linz e Munique, silício e germânio combinados em uma estrutura hexagonal que é capaz de emitir luz, um avanço após 50 anos de trabalho.
Elham Fadaly, primeiro autor compartilhado, está operando o Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). Esta máquina desenvolve os nanofios com conchas hexagonais de silício-germânio. A emissão desta liga hexagonal-SiGe mostrou-se bastante eficiente e adequada para iniciar a produção de um laser totalmente de silício. Crédito:Sicco van Grieken, SURF
Estrutura hexagonal
"O ponto crucial está na natureza do chamado gap de um semicondutor, "diz o pesquisador líder Erik Bakkers da TU / e." Se um elétron 'cair' da banda de condução para a banda de valência, um semicondutor emite um fóton:luz. "
Mas se a banda de condução e a banda de valência forem deslocadas uma em relação à outra, que é chamado de gap indireto, nenhum fóton pode ser emitido - como é o caso do silício. "Uma teoria de 50 anos mostrou, Contudo, que o silício ligado ao germânio e moldado em uma estrutura hexagonal tem um gap direto, e, portanto, potencialmente pode emitir luz, "diz Bakkers.
Moldar o silício em uma estrutura hexagonal, Contudo, não é fácil. Enquanto Bakkers e sua equipe dominavam a técnica de cultivo de nanofios, eles foram capazes de criar silício hexagonal em 2015. Eles perceberam o silício hexagonal puro cultivando primeiro nanofios feitos de outro material com uma estrutura de cristal hexagonal. Em seguida, eles cultivaram uma casca de silício-germânio neste modelo. Elham Fadaly, compartilhou o primeiro autor do Natureza papel, diz, "Conseguimos fazer isso de forma que os átomos de silício sejam construídos no modelo hexagonal, e com isso forçou os átomos de silício a crescer na estrutura hexagonal. "
Laser de silicone
Mas eles não podiam fazer com que eles emitissem luz, até agora. A equipe Bakkers conseguiu aumentar a qualidade das conchas hexagonais de silício-germânio reduzindo o número de impurezas e defeitos de cristal. Ao excitar o nanofio com um laser, eles poderiam medir a eficiência do novo material. Alain Dijkstra, compartilhou o primeiro autor e o pesquisador responsável por medir a emissão de luz, diz, "Nossos experimentos mostraram que o material tem a estrutura certa, e que está livre de defeitos. Ele emite luz de forma muito eficiente. "
Criar um laser agora é uma questão de tempo, Bakkers diz. "Por enquanto, percebemos propriedades ópticas que são quase comparáveis ao fosfeto de índio e arseneto de gálio, e a qualidade dos materiais está melhorando drasticamente. Se as coisas correrem bem, podemos criar um laser à base de silício em 2020. Isso permitiria uma integração estreita da funcionalidade óptica na plataforma eletrônica dominante, o que abriria perspectivas de comunicação óptica no chip e sensores químicos acessíveis baseados em espectroscopia. "
Enquanto isso, sua equipe também está investigando como integrar o silício hexagonal na microeletrônica de silício cúbico, que é um pré-requisito importante para este trabalho. Este projeto de pesquisa foi financiado pelo projeto SiLAS da UE, coordenado pelo professor TU / e Jos Haverkort.
