Doorbraak voor fotonische chips

Een team onderzoekers van de Technische Universiteiten van Eindhoven (TU/e) en München (TUM) is er in geslaagd een legering van germanium en silicium te ontwikkelen die licht kan uitstralen.

Chips worden warm wanneer data worden overgedragen. De laptop op de knieën wordt warm en datacenters hebben megawatts aan koelvermogen nodig. Fotonica kan de thermische problemen helpen, omdat lichtpulsen geen warmte genereren. Daarom zoeken onderzoekers over de hele wereld al decennia naar een manier om lasers van silicium of germanium te maken. Tot dusver tevergeefs. Silicium is in zijn gangbare kubusvormig kristalrooster niet geschikt voor het omzetten van elektronen in licht.

Onderzoekers van de TUE zijn er samen met collega's van TUM en de universiteiten van Jena en Linz in geslaagd legeringen van germanium en silicium te ontwikkelen die licht kunnen uitstralen. Het was cruciaal om germanium en legeringen van germanium en silicium te produceren met een hexagonaal kristalrooster. Dit materiaal heeft een directe 'band gap' en kan daardoor zelf licht genereren.

Nanodraden uit germanium-silicium legering met hexagonaal kristalrooster kunnen licht uitstralen. Ze kunnen direct in gangbare processen uit de silicium-halfgeleider technologie worden geïntegreerd (foto: Elham Fadaly / TU/e)

Truc

Prof. Erik Bakkers en zijn team aan de TU Eindhoven zijn er in 2015 in geslaagd hexagonaal silicium te produceren. Om dit te doen, groeiden ze eerst nanodraden uit een ander materiaal met een hexagonale kristalstructuur en bedekten dat met een laag germanium en silicium. Het onderliggende materiaal zorgde er voor dat de germanium-siliciumlegering ook een hexagonale structuur had.

Aanvankelijk konden de structuren geen licht uitstralen. In samenwerking met collega's van de TU München, die tijdens de optimalisatie generatie op generatie de optische eigenschappen analyseerden, werd het productieproces uiteindelijk verbeterd, zodat de nanodraden daadwerkelijk licht konden uitstralen. "We hebben nu optische eigenschappen bereikt die bijna vergelijkbaar zijn met die van indiumfosfide of galliumarsenide', zegt Bakkers. Een laser bouwen van germanium-siliciumlegeringen, die ook in de gebruikelijke fabricageprocessen kan worden geïntegreerd, lijkt slechts een kwestie van tijd.

Een siliciumlaser die kan worden geïntegreerd in chips is nu binnen handbereik. Als de communicatie optisch op een chip en van chip naar chip kan gebeuren, kan dat de snelheid met een factor tot 1000 verhogen. Bovendien zou de directe koppeling van optica en elektronische chips voor lasergebaseerde radar voor zelfrijdende auto's, voor chemische sensoren voor medische diagnose of voor het meten van lucht- en voedselkwaliteit aanzienlijk goedkoper kunnen worden.

Internationale samenwerking

Het onderzoeksproject werd ondersteund door het SiLAS-project en het Marie Sklodowska Curie-programma van de EU, de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN), Holst Centre, TNO, het Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC), Forschungszentrum Jülich en provincie Noord-Brabant. Het Duitse Electron Synchrotron (DESY) Hamburg leverde meettijd bij de PETRA III-opslagring. Theoretische berekeningen werden uitgevoerd op de SuperMUC high performance computer van het Leibniz Supercomputing Center in Garching (bij München).

Foto boven: onderzoekers Elham Fadaly (links) en Alain Dijkstra bij de opstelling voor het meten van het uitgezonden licht (foto: Sicco van Grieken, SURF / TU/e)