幾十年來，“矽發光”一直是微電子行業(ye) 的聖杯，解決(jue) 這個(ge) 難題將徹底改變計算，因為(wei) 受益於(yu) 此，芯片將變得比以往任何時候都快。

近日，埃因霍溫理工大學（TU/e）的研究人員現在已經開發出一種矽合金，這種矽合金可以發光，實現光子傳(chuan) 輸。該團隊現在將在此基礎上開發一種矽激光器，集成到當前芯片中。

　　圖源：埃因霍溫科技大學

　　光子通信代替電子通信，芯片提速1000倍

目前以半導體(ti) 為(wei) 基礎的技術正在達到頂峰，但限製因素是熱量。

在電子電路中，數據通常通過電子流傳(chuan) 輸，而電子流在通過芯片晶體(ti) 管的銅線和許多電阻時，會(hui) 產(chan) 生大量熱量。這意味著數據量越大，電子流傳(chuan) 輸產(chan) 生的熱量越多。若要繼續推進數據傳(chuan) 輸，則需要一種不產(chan) 生熱量的新技術——光子傳(chuan) 輸。

最近，埃因霍溫科技大學的一項新研究表明，矽可以發射光子來傳(chuan) 輸數據，傳(chuan) 輸過程中並不會(hui) 帶來熱量，可以消除高能耗芯片與(yu) 芯片間通信帶來熱量過多，導致傳(chuan) 輸緩慢的問題。

　　使用光學裝置來測量發射的光

　　圖源：埃因霍溫科技大學

光纖中通常是通過光子來攜帶信息而不是電子。與(yu) 電子相反，光子不經曆電阻，由於(yu) 它們(men) 沒有質量或電荷，它們(men) 在所通過的材料中的散射會(hui) 更少，因此不會(hui) 產(chan) 生熱量，能源消耗將減少。

此外，通過用光通信代替芯片內(nei) 的電子通信，芯片內(nei) 和芯片間通信的速度可以提高1000倍，數據中心將受益匪淺，數據傳(chuan) 輸速度更快，冷卻係統能耗更低。而且這些光子芯片也將帶來觸手可及的新應用，想一想激光雷達自動駕駛汽車和化學傳(chuan) 感器的醫療診斷、測量空氣和食品質量。

不過，在芯片中使用光需要集成激光器，但計算機芯片的主要半導體(ti) 材料矽在發光方麵效率極低，因此矽長期以來被認為(wei) 在光子學中不起作用，而光子芯片也遲遲沒能成為(wei) 現實。

於(yu) 是，科學家們(men) 開始轉向了能隙寬的半導體(ti) ，例如砷化镓和磷化銦，兩(liang) 者都擅長發光。一個(ge) 歐洲財團的研究人員對砷化镓的量子光子波導電路進行了實驗，還有加利福尼亞(ya) 大學聖巴巴拉分校的研究人員也研究了高功率磷化銦光子集成電路。

但砷化镓和磷化銦的根本問題在於(yu) ，它們(men) 很難集成到現有的矽微芯片中，不能與(yu) 矽很好地發揮作用，而且兩(liang) 者本身都很昂貴，成本實在太高。

因此，埃因霍溫科技大學的研究人員認識到，矽仍然是當今製造絕大多數IC的首選材料，如果矽也可以發射光子並由此增強數據通信，同時消除熱量問題，對於(yu) 設計者來說，可是莫大的福音。

突破：六角形矽鍺終於(yu) 發光

接下來，研究人員開展了數年對這種發光矽解決(jue) 方案的研究。

他們(men) 遇到最大的問題是矽的間接帶隙阻止了矽的發光，為(wei) 此，他們(men) 把目光投向了將矽與(yu) 鍺結合成六邊形結構的方法，希望從(cong) 而實現發射和透射光的直接帶隙。

來自TU/e的首席研究員Erik Bakkers說：

“關(guan) 鍵在於(yu) 所謂的半導體(ti) 帶隙的性質，如果電子從(cong) 導帶‘滴’到價(jia) 帶，半導體(ti) 就會(hui) 發出光子。但是，如果導帶和價(jia) 帶相互位移（稱為(wei) 間接帶隙），就不能像矽那樣發射光子。不過，一個(ge) 50年前的理論表明，與(yu) 鍺合金並形成六邊形結構的矽確實具有直接的帶隙，因此可能會(hui) 發光。”

但顯然理想與(yu) 現實往往不是同一回事。2015年，埃因霍溫科技大學的研究人員發表了一篇論文，論證了將磷化镓製成的六角形外殼用作六角形矽的模板。他們(men) 成功地在六角形外殼中生產(chan) 了矽，但事實證明該外殼無法透射或發光。

不過，近期該研究迎來了轉機。在Erik Bakkers的帶領下，許多相同的研究人員已經設法製造出一種改進的六角形矽鍺殼。當由外部激光器激發時，所得的矽鍺納米線實際上能夠透射光。

　　矽鍺殼製成的光導納米線

　　圖源：埃因霍溫科技大學

根據Bakkers的說法，下一步是創建實際的激光來激發納米線，當然，所謂納米線就是指矽。

2020年，世界首個(ge) 矽激光器將現

六角形SiGe合金的發射非常有效，適合開始生產(chan) 全矽激光器。但直到現在，還不能使它們(men) 發光。Bakkers團隊正在通過減少雜質和晶體(ti) 缺陷的數量，設法提高了六角矽鍺外殼的質量，當用激光激發納米線時，他們(men) 可以測量新材料的效率。

　　圖源：埃因霍溫科技大學

AlainDijkstra是第一作者，也是負責測量光發射的研究人員，他說：“我們(men) 的實驗表明，這種材料結構正確，沒有缺陷，它能非常有效地發光。”

Bakkers說：

“到目前為(wei) 止，我們(men) 已經實現了幾乎可以與(yu) 磷化銦和砷化镓相媲美的光學性能，並且材料的質量正在急劇提高。如果運行平穩，我們(men) 可以在2020年製造出矽基激光器。這將使光學功能與(yu) 主流電子平台緊密集成，這將打破片上光通信和基於(yu) 光譜學的價(jia) 格合理的化學傳(chuan) 感器的開放前景。”

如此一來，成功研發出矽激光器，也隻是時間問題。