幾六年來，“硅發光”一直是微電子行業的圣杯，解決這個困局將徹底改變估算，由于受惠于此，芯片將顯得比往年任何時侯都快。
日前，巴薩理工學院（TU/e）的研究人員如今早已開發出一種硅合金，這些硅合金可以發光，實現光子傳輸。該團隊如今將在此基礎上開發一種硅激光器，集成到當前芯片中。
圖源：佛羅倫薩科技學院
光子通訊取代電子通訊，芯片提速1000倍
目前以半導體為基礎的技術正在達到頂峰，但限制誘因是熱量。
在電子電路中量子傳輸速度，數據一般通過電子流傳輸，而電子流在通過芯片晶體管的鋁線和許多內阻時，會形成大量熱量。這意味著數據量越大，電子流傳輸形成的熱量越多。若要繼續推動數據傳輸，則須要一種不形成熱量的新技術——光子傳輸。
近來，巴薩科技學院的一項新研究表明，硅可以發射光子來傳輸數據，傳輸過程中并不會帶來熱量，可以清除高煤耗芯片與芯片間通訊帶來熱量過多，造成傳輸平緩的問題。
使用光學裝置來檢測發射的光
圖源：佛羅倫薩科技學院
光纖中一般是通過光子來攜帶信息而不是電子。與電子相反，光子不經歷內阻，因為它們沒有質量或電荷，它們在所通過的材料中的散射會更少，因而不會形成熱量，能源消耗將降低。
據悉，通過用光通訊取代芯片內的電子通訊，芯片內和芯片間通訊的速率可以提升1000倍，數據中心將獲益頗豐，數據傳輸速率更快，冷卻系統煤耗更低。并且這種光子芯片也將帶來觸手可及的新應用，想一想激光雷達手動駕駛車輛和物理傳感的醫療確診、測量空氣和乳品質量。
不過，在芯片中使用光須要集成激光器，但計算機芯片的主要半導體材料硅在發光方面效率極低，因而硅常年以來被覺得在光子學中不起作用，而光子芯片也遲遲沒能成為現實。
于是，科學家們開始轉向了能隙寬的半導體，比如鈮酸鋰和磷化銦，二者都擅長發光。一個法國財團的研究人員對硅片的量子光子波導電路進行了實驗，還有加利福尼亞學院圣巴巴拉學校的研究人員也研究了高功率磷化銦光子集成電路。
但鈮酸鋰和磷化銦的根本問題在于，它們很難集成到現有的硅微芯片中，不能與硅挺好地發揮作用，但是二者本身都很高昂，成本實在太高。
為此，巴薩科技學院的研究人員認識到，硅依然是現今制造絕大多數IC的首選材料，假如硅也可以發射光子并由此提高數據通訊，同時去除熱量問題，對于設計者來說，但是莫大的福音。
突破：圓形硅鍺總算發光
接出來，研究人員舉辦了數年對這些發光硅解決方案的研究。
她們遇見最大的問題是硅的間接帶隙制止了硅的發光，因此，她們把眼神投向了將硅與鍺結合成多邊形結構的方式，希望進而實現發射和透射光的直接帶隙。
來自TU/e的首席研究員Erik說：
“關鍵在于所謂的半導體帶隙的性質，假若電子從導帶‘滴’到價帶，半導體都會發出光子。并且，假如導帶和價帶互相位移（稱為間接帶隙）量子傳輸速度，就不能像硅那樣發射光子。不過，一個50年前的理論表明，與鍺合金并產生六角形結構的硅確實具有直接的帶隙，因而可能會發光。”
但其實理想與現實常常不是同一回事。2015年，不來梅科技學院的研究人員發表了一篇論文，論證了將磷化鎵制成的圓形殼體用作圓形硅的模板。她們成功地在圓形殼體中生產了硅，但事實證明該殼體未能透射或發光。
不過，近日該研究迎來了轉機。在Erik的率領下，許多相同的研究人員早已設法制造出一種改進的圓形硅鍺殼。當由外部激光器迸發時，所得的硅鍺納火鍋實際上能否透射光。
硅鍺殼制成的光導納拉面
圖源：不來梅科技學院
依據的說法，下一步是創建實際的激光來迸發納火鍋，其實，所謂納拉面就是指硅。
2020年，世界首個硅激光器將現
圓形SiGe合金的發射特別有效，適宜開始生產全硅激光器。但直至現今，還不能使它們發光。團隊正在通過降低雜質和晶體缺陷的數目，設法提升了六角形硅鍺殼體的質量，當用激光迸發納拉面時，她們可以檢測新材料的效率。
圖源：佛羅倫薩科技學院
是第一作者，也是負責檢測光發射的研究人員，他說：“我們的實驗表明，這些材料結構正確，沒有缺陷，它能十分有效地發光。”
說：
“到目前為止，我們早已實現了幾乎可以與磷化銦和硅片相抗衡的光學性能，而且材料的質量正在大幅增強。假如運行平穩，我們可以在2020年制造出硅基激光器。這將使光學功能與主流電子平臺緊密集成，這將打破片上光通訊和基于波譜學的價錢合理的物理傳感的開放前景。”
這么一來，成功研制出硅激光器，也只是時間問題。
