Silicium geeft licht

silicium/germaniumhalfgeleider

Dit apparaat is gebruikt om de hexagonale structuur te verwezenlijken (afb: TU/e)

Al jaren wordt er gewerkt aan licht als informatiedrager in plaats van elektronen. Dat gaat allemaal veel sneller, maar licht is nog maar zeer mondjesmaat de wereld van het rekentuig binnengedrongen. Dat zou wel eens kunnen veranderen met kiezel dat niet alleen een fenomenale halfgeleider is maar nu door toedoen van onderzoekers van de TH Eindhoven ook het licht heeft gezien. Komt die lichtchip er dan toch eindelijk?

Onderzoekers of, waarschijnlijker, persvoorlichters willen de waarde van het gedane onderzoek nogal eens vergelijken met het vinden van de Heilige Graal, maar die schaal is al zo vaak gevonden dat dat beeld een beetje sleets is geworden. De Eindhovense onderzoekers zouden een zoektocht van vijftig jaar nu met succes hebben afgesloten (Graal of niet). De onderzoekers werken nu aan een siliciumlaser om die te integreren in een geïntegreerde schakeling (kortweg: chip).
Elektronische chips krijgen het gaandeweg steeds moeilijker. Die zitten zo’n beetje aan de limiet. Die wordt veroorzaakt door het bezige heen en weer bewegen van die elektronen met warmte als nare bijwerking. Bij fotonica nemen lichtdeeltjes (fotonen) het over van de elektronen. Die gaan veel (1000 maal) sneller en produceren niet of nauwelijks warmte.
Dat komt doordat fotonen geen weerstand ondervinden, evenmin als massa of lading. Dat betekent dat ze minder obstakels kennen om door materialen te reizen en produceren daardoor geen warmte. Dat betekent dat de energie die een rekentuig nodig heeft omlaag kan. Lichtcomputers hoeven nauwelijks gekoeld te worden. Daar hebben vooral datacentra baat bij. Daarnaast maken lichtchips nieuwe toepassingen mogelijk zoals een laserradar voor zelfbewegende voertuigen of chemische sensoren voor het meten van bloedwaarden of luchtkwaliteit (bijvoorbeeld).

Lichtbron

Om licht te gebruiken heb je een lichtbron nodig, in feite een geïntegreerde laser. Silicium (kiezel) is de meest gebruikte halfgeleider in de elektronica, maar dat is uiterst ‘onhandig’ in het voortbrengen van licht. Dat zou het einde voor silicium betekenen in de computerwereld, maar daar hebben die Eindhovenaren nu een streep door gezet. Er zijn inmiddels wel halfgeleiders waarmee dat gelukt is (licht produceren), zoals galliumarsenide en indiumfosfide, maar die zijn duur en lastig te integreren in een bestaand siliciumsysteem.

Om hun kiezellaser te maken moesten de onderzoekers uitkijken naar een vorm van silicium die wel licht uitzendt. Daarin werkten de Eindhovenaren samen met onderzoekers van universiteiten in Duitsland en Oostenrijk. Ze combineerden silicium en germanium in een hexagonale structuur die in staat is licht te produceren.
“De crux is de aard van de zogeheten bandkloof in een halfgeleider”, zegt Erik Bakkers van de TU/e. “Als een elektron terugvalt van de geleideband in de valentieband, dan zendt die halfgeleider licht uit, zoals ook silicium. Een vijftig jaar oude theorie stelt dat silicium, gemengd met germanium, een hexagonale structuur vormt en een directe bandkloof heeft. Die legering zou daarom in theorie licht moeten uitzenden.”

Het probleem lag bij die hexagonale (zesvlak) structuur. Die bleek niet makkelijk te verwezenlijken. Bakkers en de zijnen waren gewend nanodraadjes te ‘kweken’ en met behulp van die kweektechniek slaagden ze er in die hexagonale structuur voor elkaar te bakken. Vervolgens lieten ze een silicium/germaniumschil op die draadjes groeien, die als mal fungeerden.

Geen licht

Het vervelende was weer dat dat materiaal niet, zoals voorspeld, licht uitzond. De onderzoekers slaagden er in de kwaliteit van die hexagonale schillen te verbeteren door de onzuiverheden te reduceren. Dat materiaal bleek de juiste structuur te hebben. “Dat is zonder roosterfouten. Het zendt zeer efficiënt licht uit”, zegt medeonderzoeker Alain Dijkstra.

Een laser van dat materiaal maken is nog slechts een kwestie van tijd, stelt Bakkers. “We hebben nu de optische eigenschappen die bijna gelijk zijn aan die van indiumfosfide of galliumarsenide en de kwaliteit gaat met sprongen omhoog. Als alles soepel verloopt dan kunnen we nog dit jaar een siliciumlaser maken. Daarmee is een hechte integratie van de optische functionaliteit in een elektronisch platform te verwezenlijken.”
Daarnaast kijken de onderzoekers ook hoe de hexagonalestructuur is te integreren in kubische siliciumstructuur in de elektronica.

Bron: EurekAlert

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.