幾六年來(lái)，“硅發(fā)光”一直是微電子行業(yè)的圣杯，解決這個(gè)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(shí)侯都快。
日前，巴薩理工學(xué)院（TU/e）的研究人員如今早已開(kāi)發(fā)出一種硅合金，這些硅合金可以發(fā)光，實(shí)現(xiàn)光子傳輸。該團(tuán)隊(duì)如今將在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一種硅激光器，集成到當(dāng)前芯片中。
圖源：佛羅倫薩科技學(xué)院
光子通訊取代電子通訊，芯片提速1000倍
目前以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的技術(shù)正在達(dá)到頂峰，但限制誘因是熱量。
在電子電路中量子傳輸速度，數(shù)據(jù)一般通過(guò)電子流傳輸，而電子流在通過(guò)芯片晶體管的鋁線和許多內(nèi)阻時(shí)，會(huì)形成大量熱量。這意味著數(shù)據(jù)量越大，電子流傳輸形成的熱量越多。若要繼續(xù)推動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，則須要一種不形成熱量的新技術(shù)——光子傳輸。
近來(lái)，巴薩科技學(xué)院的一項(xiàng)新研究表明，硅可以發(fā)射光子來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，傳輸過(guò)程中并不會(huì)帶來(lái)熱量，可以清除高煤耗芯片與芯片間通訊帶來(lái)熱量過(guò)多，造成傳輸平緩的問(wèn)題。
使用光學(xué)裝置來(lái)檢測(cè)發(fā)射的光
圖源：佛羅倫薩科技學(xué)院
光纖中一般是通過(guò)光子來(lái)攜帶信息而不是電子。與電子相反，光子不經(jīng)歷內(nèi)阻，因?yàn)樗鼈儧](méi)有質(zhì)量或電荷，它們?cè)谒ㄟ^(guò)的材料中的散射會(huì)更少，因而不會(huì)形成熱量，能源消耗將降低。
據(jù)悉，通過(guò)用光通訊取代芯片內(nèi)的電子通訊，芯片內(nèi)和芯片間通訊的速率可以提升1000倍，數(shù)據(jù)中心將獲益頗豐，數(shù)據(jù)傳輸速率更快，冷卻系統(tǒng)煤耗更低。并且這種光子芯片也將帶來(lái)觸手可及的新應(yīng)用，想一想激光雷達(dá)手動(dòng)駕駛車輛和物理傳感的醫(yī)療確診、測(cè)量空氣和乳品質(zhì)量。
不過(guò)，在芯片中使用光須要集成激光器，但計(jì)算機(jī)芯片的主要半導(dǎo)體材料硅在發(fā)光方面效率極低，因而硅常年以來(lái)被覺(jué)得在光子學(xué)中不起作用，而光子芯片也遲遲沒(méi)能成為現(xiàn)實(shí)。
于是，科學(xué)家們開(kāi)始轉(zhuǎn)向了能隙寬的半導(dǎo)體，比如鈮酸鋰和磷化銦，二者都擅長(zhǎng)發(fā)光。一個(gè)法國(guó)財(cái)團(tuán)的研究人員對(duì)硅片的量子光子波導(dǎo)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，還有加利福尼亞學(xué)院圣巴巴拉學(xué)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(wèn)題在于，它們很難集成到現(xiàn)有的硅微芯片中，不能與硅挺好地發(fā)揮作用，但是二者本身都很高昂，成本實(shí)在太高。
為此，巴薩科技學(xué)院的研究人員認(rèn)識(shí)到，硅依然是現(xiàn)今制造絕大多數(shù)IC的首選材料，假如硅也可以發(fā)射光子并由此提高數(shù)據(jù)通訊，同時(shí)去除熱量問(wèn)題，對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，但是莫大的福音。
突破：圓形硅鍺總算發(fā)光
接出來(lái)，研究人員舉辦了數(shù)年對(duì)這些發(fā)光硅解決方案的研究。
她們遇見(jiàn)最大的問(wèn)題是硅的間接帶隙制止了硅的發(fā)光，因此，她們把眼神投向了將硅與鍺結(jié)合成多邊形結(jié)構(gòu)的方式，希望進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)射和透射光的直接帶隙。
來(lái)自TU/e的首席研究員Erik說(shuō)：
“關(guān)鍵在于所謂的半導(dǎo)體帶隙的性質(zhì)，假若電子從導(dǎo)帶‘滴’到價(jià)帶，半導(dǎo)體都會(huì)發(fā)出光子。并且，假如導(dǎo)帶和價(jià)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(fā)射光子。不過(guò)，一個(gè)50年前的理論表明，與鍺合金并產(chǎn)生六角形結(jié)構(gòu)的硅確實(shí)具有直接的帶隙，因而可能會(huì)發(fā)光。”
但其實(shí)理想與現(xiàn)實(shí)常常不是同一回事。2015年，不來(lái)梅科技學(xué)院的研究人員發(fā)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(chǎn)了硅，但事實(shí)證明該殼體未能透射或發(fā)光。
不過(guò)，近日該研究迎來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。在Erik的率領(lǐng)下，許多相同的研究人員早已設(shè)法制造出一種改進(jìn)的圓形硅鍺殼。當(dāng)由外部激光器迸發(fā)時(shí)，所得的硅鍺納火鍋實(shí)際上能否透射光。
硅鍺殼制成的光導(dǎo)納拉面
圖源：不來(lái)梅科技學(xué)院
依據(jù)的說(shuō)法，下一步是創(chuàng)建實(shí)際的激光來(lái)迸發(fā)納火鍋，其實(shí)，所謂納拉面就是指硅。
2020年，世界首個(gè)硅激光器將現(xiàn)
圓形SiGe合金的發(fā)射特別有效，適宜開(kāi)始生產(chǎn)全硅激光器。但直至現(xiàn)今，還不能使它們發(fā)光。團(tuán)隊(duì)正在通過(guò)降低雜質(zhì)和晶體缺陷的數(shù)目，設(shè)法提升了六角形硅鍺殼體的質(zhì)量，當(dāng)用激光迸發(fā)納拉面時(shí)，她們可以檢測(cè)新材料的效率。
圖源：佛羅倫薩科技學(xué)院
是第一作者，也是負(fù)責(zé)檢測(cè)光發(fā)射的研究人員，他說(shuō)：“我們的實(shí)驗(yàn)表明，這些材料結(jié)構(gòu)正確，沒(méi)有缺陷，它能十分有效地發(fā)光。”
說(shuō)：
“到目前為止，我們?cè)缫褜?shí)現(xiàn)了幾乎可以與磷化銦和硅片相抗衡的光學(xué)性能，而且材料的質(zhì)量正在大幅增強(qiáng)。假如運(yùn)行平穩(wěn)，我們可以在2020年制造出硅基激光器。這將使光學(xué)功能與主流電子平臺(tái)緊密集成，這將打破片上光通訊和基于波譜學(xué)的價(jià)錢合理的物理傳感的開(kāi)放前景。”
這么一來(lái)，成功研制出硅激光器，也只是時(shí)間問(wèn)題。
