努力了半世紀,科學家終於讓矽發光

作者 | 發布日期 2020 年 04 月 12 日 10:51 | 分類 奈米 , 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


隨著資料中心負擔越來越重,工程師最苦惱的問題之一、就是電子電路在資料傳輸過程所產生的熱量。為解決這問題,工程師想改利用光子來傳輸數據,並將目光瞄準半導體材料霸主矽——然而矽應用在發光二極體表現極差,半世紀以來科學家都沒能讓矽有效發光。現在,歐洲科學家宣告終於突破這一障礙,成功製造能發光的矽合金奈米線;藉助團隊技術,研究人員表示今年就能製造出矽基雷射器。

矽基發光是科學研界這數十年來的遠大目標之一,然而矽是間接能隙(indirect bandgap)材料,其電子與電洞複合為非輻射躍遷、不會釋出光子,因此矽做為發光二極體的發光效率至今都無法拿出來實際應用(雖然矽在極低溫特定溫度下會發光,但需在特殊角度下才可發現,且發光亮度不明顯)。

然而當前半導體技術已趨近極限,隨著積體電路上塞的電晶體數量越來越多,科學家開始遇到各種棘手問題,比如電子穿過連接晶片上許多電晶體的銅線時因電阻而產生熱、電子發生交通堵塞、奇怪的量子效應等。為繼續提高數據傳輸速度,我們需要一種不會產生熱量的新技術,其中一個解決辦法就是利用沒有電阻問題的光子來代替某些電子電路。

然而矽在電子學領域表現傑出,來到光子學卻發揮不了太大作用,據《Nature》報導解釋,基於矽的太陽能電池必須比基於砷化鎵(能有效吸收和發射光的直接能隙半導體)的太陽能電池厚至少 100 倍,才能收集相同數量的光子,但前者將光轉換成電能的效率仍低得多,後者又比矽貴,也較難集成到現有矽晶片中。

50 年前,研究人員首先提出將矽與鍺結合成六邊形結構,就可以產生具有直接能隙(可發射/透射光)的材料,只是要讓矽原子以六邊形結構生長並不容易。

2015 年時,由荷蘭埃因霍溫理工大學物理學家 Erik Bakkers 領導的團隊,成功利用砷化鎵製成極薄奈米線(直徑約 35 nm)做為支架,然後將鍺沉積在奈米線上使其厚度增加 10 倍、穩建六角形鍺結構,接著再沉積矽,成功生長出具有六邊形結構的矽材。

然而研究人員發現此法仍然無法使矽發光,原因可能是晶體結構存在缺陷和雜質。

持續改進多年,Erik Bakkers 團隊與德國、奧地利研究人員合作,最近再製造出更高品質的矽鍺合金奈米線,終於成功讓矽鍺合金奈米線透射光;實驗檢測材料發出的光子能量從 0.3eV 調整到 0.67eV,表明經過數年微調的矽奈米線在傳輸光子方面變得非常有效,幾乎可以媲美磷化銦和砷化鎵的光學性能。

使用光子來代替電子將能提高數據傳輸速度千倍、同時減少能耗,下一步,團隊將利用他們開發的技術來製造基於矽合金的微型雷射器,並嘗試與常規晶片結合。Erik Bakkers 表示,如果一切順利,他們在今年就能製造出矽基雷射器。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:埃因霍溫理工大學

延伸閱讀:

關鍵字: , ,