Doorbraak na 50 jaar werk maakt de weg vrij voor fotonische chips

Al tientallen jaren geldt het als de ‘Heilige Graal’ in de micro-elektronica-industrie: silicium dat licht uitzendt. Het oplossen van deze puzzel zou een revolutie voor de computerindustrie betekenen, want chips worden hiermee sneller dan ooit. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven zijn daar nu in geslaagd: ze hebben een legering met silicium ontwikkeld die licht kan uitzenden. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Het team maakt nu een siliciumlaser om in de huidige chips te integreren.

nanodraden

Nanodraden met een zeshoekige schil van silicium en germanium.

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 vermindert. 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 1.000 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.

‘Vallend’ elektron zendt een foton uit

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 (TU/e) 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. Een doorbraak na 50 jaar werk.

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.”

Silicium laser

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.”

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.”

Intussen onderzoekt zijn team ook hoe het zeshoekige silicium in de kubusvormige silicium-micro-elektronica kan worden geïntegreerd, wat een belangrijke voorwaarde is voor dit werk. Dit onderzoeksproject is gefinancierd door het EU-project SiLAS, gecoördineerd door TU/e-professor Jos Haverkort.

MOVPE

Een kijkje in de machine ‘Metal Organic Vapor Phase Epitaxy’ (MOVPE). Deze machine werd gebruikt om de nanodraden met een zeshoekige siliciumgermaniumschil te groeien. Foto: Nando Harmsen.