经过半个世纪的努力科研人员制造出了硅基发光体

随着数据中心负担越来越重,工程师最苦恼的问题之一、就是电子电路在资料传输过程所产生的热量。 为解决这问题,工程师想改利用光子来传输数据,并将目光瞄准半导体材料霸主硅——然而硅应用在发光二极体表现极差,半世纪以来科学家都没制造出硅基发光体。 现在,欧洲科学家宣告终于突破这一障碍,成功制造能发光的硅合金纳米线;借助团队技术,研究人员表示今年就能制造出硅基激光器。

这是埃因霍温科技大学物理学家埃里克·巴克斯(Erik Bakkers)及其同事用来生长六角形硅合金纳米线的机器。

硅基发光是科学研界这数十年来的远大目标之一,然而硅是间接能隙(indirect bandgap)材料,其电子与电洞复合为非辐射跃迁、不会释出光子,因此硅作为发光二极体的发光效率至今都无法拿出来实际应用。 (虽然硅在极低温特定温度下会发光,但需在特殊角度下才可发现,且发光亮度不明显)

然而当前半导体技术已趋近极限,随着积体电路上塞的电晶体数量越来越多,科学家开始遇到各种棘手问题,比如电子穿过连接晶片上许多电晶体的铜线时因电阻而产生热、电子发生交通堵塞、奇怪的量子效应等。 为继续提高数据传输速度,我们需要一种不会产生热量的新技术,其中一个解决办法就是利用没有电阻问题的光子来代替某些电子电路。

然而硅在电子学领域表现杰出,来到光子学却发挥不了太大作用,据《Nature》报导解释,基于硅的太阳能电池必须比基于砷化镓(能有效吸收和发射光的直接能隙半导体)的太阳能电池厚至少100 倍,才能收集相同数量的光子,但前者将光转换成电能的效率仍低得多,后者又比硅贵,也较难集成到现有硅晶片中。

50 年前,研究人员首先提出将硅与锗结合成六边形结构,就可以产生具有直接能隙(可发射/透射光)的材料,只是要让硅原子以六边形结构生长并不容易。

2015 年时,由荷兰埃因霍温理工大学物理学家Erik Bakkers 领导的团队,成功利用砷化镓制成极薄纳米线(直径约35 nm)作为支架,然后将锗沉积在纳米线上使其厚度增加10 倍、稳建六角形锗结构,接着再沉积硅,成功生长出具有六边形结构的硅材。

然而研究人员发现此法仍然无法使硅发光,原因可能是晶体结构存在缺陷和杂质。

持续改进多年,Erik Bakkers 团队与德国、奥地利研究人员合作,最近再制造出更高品质的硅锗合金纳米线,终于成功让硅锗合金纳米线透射光;实验检测材料发出的光子能量从0.3eV 调整到0.67eV,表明经过数年微调的硅纳米线在传输光子方面变得非常有效,几乎可以媲美磷化铟和砷化镓的光学性能。

使用光子来代替电子将能提高数据传输速度千倍、同时减少能耗,下一步,团队将利用他们开发的技术来制造基于硅合金的微型激光器,并尝试与常规晶片结合。 Erik Bakkers 表示,如果一切顺利,他们在今年就能制造出硅基激光器。

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