Silicium in plaats van galliumarsenide en indiumfosfide: grote stap voor productie fotonicachips
Dat fotonische chips aanzienlijke voordelen hebben boven elektronische, dat was inmiddels genoegzaam bekend. Data-overdracht kan er sneller en goedkoper mee plaatsvinden en bovendien zonder de warmteproductie waar grote datacenters nu zo’n last van hebben. Maar tot op heden kon dat niet met silicium (zand) als grondstof; de veel duurdere en zeldzamere galliumarsenide en indiumfosfide moesten ervoor worden gebruikt. Onderzoekers van de TU Eindhoven hebben nu echter een manier ontdekt om toch met silicium licht uit te zenden.
Al tientallen jaren geldt het als de ‘Heilige Graal’ in de micro-elektronica-industrie: silicium dat licht uitzendt. Chips worden hiermee sneller dan ooit. De Eindhovense onderzoekers – die samenwerkten met collega’s van de universiteiten van Jena, Linz en München – hebben daarvoor een legering met silicium ontwikkeld die licht kan uitzenden. Hun resultaten, een doorbraak na 50 jaar onderzoek, zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Het team maakt nu een siliciumlaser om in de huidige chips te integreren.
Warmte
Elk jaar gebruiken en produceren we significant meer data. Maar onze huidige technologie, gebaseerd op elektronische chips, bereikt zijn plafond. De beperkende factor is warmte, die vrijkomt als gevolg van de weerstand die de elektronen ervaren. Deze weerstand ontstaat als de elektronen door de koperen leidingen reizen die de vele transistors op een chip met elkaar verbinden. Als we elk jaar meer gegevens willen blijven overdragen, hebben we een nieuwe techniek nodig die geen warmte produceert. Fotonica biedt daarvoor de oplossing, deze techniek gebruikt fotonen (lichtdeeltjes) om data over te brengen.
In tegenstelling tot elektronen ervaren fotonen geen weerstand. Omdat ze geen massa of lading hebben, verstrooien ze minder in het materiaal waar ze doorheen reizen. Ze produceren geen warmte, waardoor het energieverbruik verminderd. Door de elektrische communicatie binnen een chip te vervangen door optische communicatie, kan bovendien de snelheid van de communicatie in de chip én tussen de chips met een factor 1000 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.
Silicium goedkoper dan galliumarsenide en indiumfosfide
Om licht in chips te kunnen gebruiken heb je een lichtbron nodig; een geïntegreerde laser. Het belangrijkste halfgeleidermateriaal waar computerchips nu van 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 zijn 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 onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven 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.
Zeshoekige structuur
“De crux zit hem in de aard van de zogenaamde bandkloof van een halfgeleider”, zegt hoofdonderzoeker Erik Bakkers van de TU/e. “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 50 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. Elham Fadaly, de gedeelde eerste auteur van het Nature artikel: “Door de siliciumatomen op het zeshoekige sjabloon te groeien, wisten we te realiseren dat deze ook in dezelfde zeshoekige kristalstructuur groeiden.”
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. Alain Dijkstra, gedeelde eerste auteur van het artikel en verantwoordelijk voor het meten van de lichtemissie: “Onze experimenten toonden aan dat het materiaal de juiste structuur heeft, en dat het vrij is van defecten. Het straalt zeer efficiënt licht uit.”
Nog dit jaar een siliciumlaser
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 in 2020 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.”
Artikel door Innovation Origins