發(fā)明硅和鍺發(fā)光合金！制造光子芯片，將給計算機帶來(lái)革命性變化！

  ICC訊 如果計算機使用光子而不是電子來(lái)傳輸數據，它們的性能會(huì )更好，耗電量也會(huì )更少?？茖W(xué)家們目前正在研究一種新的硅和鍺發(fā)光合金，以獲得光子芯片，這將給計算機帶來(lái)革命性的變化。光子，即構成光的粒子，已基本取代電子在通信網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行數據傳輸。光信號的高帶寬推動(dòng)了電話(huà)系統、電視廣播和互聯(lián)網(wǎng)的巨大增長(cháng)，然而，光子還沒(méi)有取代計算機中的電子。

  使用光在處理器芯片及其互連中傳輸數據將大大提高計算機的速度(芯片內和芯片間的通信速度可以提高1000倍)，同時(shí)降低它們運行所需的功率。先進(jìn)的微處理器芯片可以包含數百億個(gè)晶體管，它們的銅電互連在運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的熱量。與光子不同，電子有質(zhì)量和電荷。當它們流經(jīng)金屬或半導體材料時(shí)，它們被硅和金屬原子散射，導致它們振動(dòng)并產(chǎn)生熱量。因此，供應給微處理器的大部分電力都被浪費了。

  從硅中發(fā)光的挑戰

  電子工業(yè)正準備在計算機芯片中使用硅，因為它具有優(yōu)越的電子性能和可用性。它是一種很好的半導體，是一種豐富的元素，和硅氧化物一樣，它也是玻璃和沙子的成分。然而，由于硅的晶體結構，它在處理光方面并不是很好。例如，它不能產(chǎn)生光子或控制其流量以進(jìn)行數據處理?？茖W(xué)家研究了砷化鎵和磷化銦等發(fā)光材料，但它們在計算機中的應用仍然有限，因為它們沒(méi)有與當前的硅技術(shù)很好地結合在一起。

  光電子芯片

  來(lái)自歐洲的科學(xué)家在《自然》期刊上發(fā)表了一種新型的硅和鍺合金，它具有光學(xué)活性。荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的物理學(xué)家喬斯·哈弗科特(Jos Haverkort)說(shuō)：這是第一步，我們證明了這種材料非常適合發(fā)光，而且它與硅兼容。下一步是開(kāi)發(fā)一種硅兼容激光器，它將被集成到電子電路中，作為光電子芯片的光源，這是由歐盟FET計劃支持的SILAS項目最終目標。

  該研究小組由埃因霍溫大學(xué)的埃里克·巴克斯(Erik Bakkers)領(lǐng)導，還包括來(lái)自德國耶拿和慕尼黑大學(xué)、奧地利林茨大學(xué)、英國牛津大學(xué)和瑞士IBM大學(xué)的研究人員。為了制造這種激光器，科學(xué)家們將硅和鍺結合在一個(gè)能夠發(fā)光的六邊形結構中，克服了硅的缺點(diǎn)，因為硅中的原子是以立方體形式排列。這是一個(gè)困難的項目，通過(guò)在六角鍺層上沉積硅原子來(lái)誘使硅采用六方結構的初步嘗試失敗了。

  慕尼黑工業(yè)大學(xué)的喬納森·芬利(Jonathan Finley)解釋說(shuō)：當硅生長(cháng)在平面六角鍺上時(shí)，硅頑固地拒絕改變其立方結構。芬利通過(guò)測量產(chǎn)生的硅樣品光學(xué)性質(zhì)，能夠通過(guò)這種不同尋常的硅鍺生長(cháng)。然而，多年來(lái)，埃因霍溫大學(xué)研究小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了生長(cháng)納米管的專(zhuān)業(yè)知識，并推斷在鍺平面上不起作用的東西，可能會(huì )在納米管的曲面上起作用，這一次事情解決了。

  所做的是使用砷化鎵納米線(xiàn)，它有一個(gè)六角形的結構，所以有一個(gè)六角形的莖，研究人員在核心周?chē)鷦?chuàng )造了一個(gè)硅殼，它也有一個(gè)六邊形的結構。通過(guò)改變沉積在納米管上的硅和鍺的量，研究人員發(fā)現，當鍺的濃度超過(guò)65%時(shí)，這種六方合金能夠發(fā)光下一步是激光的演示，換言之，確定硅鍺合金如何將光作為激光放大和發(fā)射，并對其進(jìn)行測量。

  在硅鍺可以與硅基電子完全集成之前，有幾個(gè)懸而未決的問(wèn)題需要解決：首先，這些設備必須與現有技術(shù)集成，這仍然是一個(gè)障礙。預計，未來(lái)量子計算機將使用低成本的硅基LED、光纖激光器、光傳感器和發(fā)光量子點(diǎn)等應用?？傮w而言，從電氣通信向光通信的轉變將推動(dòng)許多領(lǐng)域的創(chuàng )新，從用于自動(dòng)駕駛的激光雷達，到用于醫療診斷或實(shí)時(shí)空氣污染檢測的傳感器。