用于光子计算的发光硅

如果计算机使用光子而不是电子来传输数据，它们的性能会更好，耗电量也会更少。目前，欧洲研究人员正在研究一种新的硅和锗发光合金，以获得能彻底改变计算机运算的光子芯片。

在过去的50年里，构成光的光子已经取代电子在通讯网络中进行数据传输。光学信号的高带宽推动了电话系统、电视广播和互联网的巨大发展。

然而，光子还没有在计算机中取代电子。利用光传输数据的处理器芯片和它们之间的联系将允许大幅提高计算机的速度(片上的速度和到通信可以增加1000倍),与此同时,降低所需的力量。

先进的微处理器芯片可以包含数以百亿计的晶体管，它们的铜电子互连在运行时会产生大量的热量。与光子不同，电子有质量和电荷。当流经金属或半导体材料时，它们被硅和金属原子散射，导致它们振动并产生热量。因此，提供给微处理器的大部分能量被浪费了。

埃因霍温科技大学的研究人员Elham Fadaly（左）和Alain Dijkstra（右）及其设备，用于测量具有六方晶体结构的硅锗样品的发光。

从硅发光的挑战

今天，电子工业正准备在计算机芯片中使用硅，因为它具有优越的电子性能和可用性。它是一种优良的半导体，是一种含量丰富的元素，并且——如氧化硅——是玻璃和沙子的组成部分。

然而，由于硅的晶体结构，它不太擅长处理光。例如，它不能产生光子或控制它们的通量进行数据处理。研究人员已经对砷化镓和磷化铟等发光材料进行了研究，但它们在计算机上的应用仍然有限，因为它们不能很好地与当前的硅技术集成。

塑造光子学晶片：迈向电子工业的革命

锗硅合金纳米纤维具有六角形的晶体结构，能够发光，与目前的硅半导体技术兼容。

最近，欧洲研究人员在《自然》杂志上报道了一种创新的硅锗合金，这种合金具有旋光性。荷兰埃因霍温理工大学的物理学家jose Haverkort说，这是第一步，“我们证明了这种材料非常适合于光发射，而且它与硅兼容。”

下一步是开发一种硅兼容激光器，作为光电子芯片的光源集成到电子电路中。这是塞拉斯项目的最终目标，由欧盟FET项目支持。该团队由埃因霍温大学的埃里克•巴克克斯领导，成员还包括来自德国耶拿和慕尼黑大学、奥地利林茨大学、英国牛津大学和瑞士IBM公司的研究人员。

为了制造激光器，科学家们将硅和锗合成了一个能够发光的六边形结构，克服了硅原子排列成立方体的缺点。这是一个困难的项目。最初尝试通过在一层六边形锗上沉积硅原子来诱导硅形成六边形结构的尝试失败了。

当硅在平面六边形的锗上生长时，它顽固地拒绝改变它的立方结构，来自慕尼黑工业大学的乔纳森·芬利解释说，他通过测量创造的硅样品的光学特性参与了这项研究。“你必须说服大自然允许这种不同寻常的锗硅生长。它喜欢变立方，这就是它所做的，”他说。

然而，多年来，埃因霍温大学的研究小组已经发展出了制造纳米管的专门技术，并推论出在锗的平面表面不起作用的东西可能在纳米管的曲面上起作用。这一次事情解决了。“我们所做的是使用砷化镓的纳米线，它有六边形的结构。所以我们有一个六边形的茎，我们在核心周围创造了一个硅壳，它也有一个六边形的结构，”Haverkort说。

通过改变沉积在纳米管上的硅和锗的数量，研究人员发现，当锗的浓度超过65%时，这种六角形合金能够发光。

下一步是激光发射的演示，换句话说，确定硅锗合金如何像激光一样放大和发射光，并测量它。

Haverkort说，在锗硅与硅基电子器件完全集成之前，还有几个悬而未决的问题需要解决:“首先，这些器件必须与现有技术集成，这仍然是一个障碍。”他预计未来的量子计算机将使用低成本的硅基发光二极管、光纤激光器、光传感器和发光量子点等应用。

总之，从电力通信到光通信的转变将推动许多领域的创新，从用于自动驾驶的激光雷达到用于医疗诊断或实时空气污染检测的传感器。

原文链接：https://phys.org/news/2020-05-light-emitting-silicon-photonic.html