01/03/2017
Door Ad Spijkers
Wetenschappers zoeken al lange tijd naar een geschikte oplossing om optische componenten op een computerchip te integreren. Een nieuwe diode bevat behalve silicium en germanium ook tin om de optische eigenschappen te verbeteren.
Silicium en germanium alleen zijn als lichtbron nauwelijks geschikt. Fysici van het Forschungszentrum Jülich hebben in samenwerking met internationale partners een diode gepresenteerd, die behalve silicium en germanium ook tin bevat om de optische eigenschappen te verbeteren. Het bijzondere daaraan is dat alle elementen tot de vierde hoofdgroep van het periodiek systeem behoren, volledig compatibel zijn met de bestaande siliciumtechnologie.
Optische signaaloverdracht
Over lange afstanden is optische signaaloverdracht al lang standaard, omdat deze in vergelijking met elektrische overdracht slechts een fractie van de energie vereist. Maar de bestaande oplossingen zijn nauwelijks geschikt om data langs optische weg direct op de chip tussen processor en geheugen of tussen de processorkernen van een server of PC op en neer te sturen.
De materialen voor halfgeleiderlasers en -diodes, de zogeheten III-V-halfgeleiders, behoren tot andere chemische hoofdgroepen dan silicium, waaruit de computerchips worden vervaardigd. Hieruit resulteren verschillende roosterstructuren die er toe leiden dat dergelijke componenten alleen tegen hoge kosten en inefficiënt kunnen worden geïntegreerd.
Vierde hoofdgroep
Silicium en germanium zelf behoren tot de zogeheten indirecte halfgeleiders. Op grond van hun energetische toestanden van de elektronen die quantumfysisch mogelijk zijn, zijn ze nauwelijks in staat op licht – beter gezegd: fotonen – af te geven of op te nemen. Door toevoeging van tin veranderen de elektronische eigenschappen van het kristal. De resulterende verbinding wordt een directe halfgeleider die fotonen direct – en daardoor zeer efficiënt – kan absorberen en uitsturen..
Omdat tin net als silicium en germanium tot de vierde hoofdgroep van het periodiek systeem behoort, kan de silicium-germanium-tin diode (SiGeSn-diode) direct in de loop van de chipproductie op silicium worden aangebracht.
De wetenschappers hebben de SiGeSn-diode opgebouwd uit een GeSn/SiGeSn lagensysteem. De sandwich-opbouw verhoogt het rendement waarmee de ingestuurde stroom in licht wordt omgezet. Via de stapsgewijze verandering van het silicium- en tingehalte lukte het de onderzoekers bovendien de optische golflengte over een bereik van 2 tot 2,6 µm aan te passen.
Het vervolg
Met de diode-ontwikkeling zijn de onderzoekers van het Peter Grünberg Institut (PGI-9) aan het Forschungszentrum Jülich een stap dichter bij de ontwikkeling van een infrarode lichtbron voor de on-chip darta-overdracht gekomen. Bovendien kan het materiaal meerdere toepassingen zoals fotodetectoren mogelijk maken..
Reeds in januari 2015 hadden de fysici in Jülich de fundamentele geschiktheid van een SiGeSn-verbinding gedemonstreerd aan de hand van een lasercomponent, die zich direct op silicium-chips kan worden aangebracht, De toenmalige laser werd echter niet elektrisch maar alleen optisch tot het opwekken van laserlicht opgewekt. De functie hiervan was bovendien beperkt tot temperaturen van-183°C. De nu gepresenteerde SiGeSn-fotodiode functioneert ook bij kamertemperatuur.
Onderstaand filmpje geeft een korte uitleg van de SiGeSn-diode en zijn eigenschappen.