ICC訊 根據(jù)CSC化合物半導(dǎo)體消息,來自埃因霍溫技術(shù)大學(xué)(TU/e)和慕尼黑技術(shù)大學(xué)(TUM)的一個團隊目前已成功開發(fā)出發(fā)光的硅鍺合金。因此,能夠集成到當(dāng)今芯片中的硅激光器的開發(fā)是第一次觸手可及。
在過去的半個世紀(jì)里,研究人員試圖制造硅基或鍺基激光器,但沒有成功。硅通常在立方晶格中結(jié)晶。這種形式不適合把電子轉(zhuǎn)換成光。
埃因霍溫技術(shù)大學(xué)的研究人員與慕尼黑技術(shù)大學(xué)、杰納大學(xué)和林茨大學(xué)的同事一道,現(xiàn)已開發(fā)出由鍺和硅制成的能夠發(fā)光的合金。
關(guān)鍵的一步是用六方晶格的鍺和硅生產(chǎn)鍺和合金的能力?!斑@種材料有一個直接的帶隙,因此可以自己發(fā)光,”TUM半導(dǎo)體量子納米系統(tǒng)教授喬納森·芬利說。
歐洲研究小組開發(fā)了發(fā)光硅鍺合金,其性能幾乎與InP或GaAs相當(dāng)
模板技巧
埃里克·巴克斯和他在圖埃因霍溫的團隊早在2015年就首次生產(chǎn)了六角硅。他們首先用另一種材料制成的納米線生長出六角晶體結(jié)構(gòu)。作為鍺硅外殼的模板,底層材料施加在其六邊形晶體結(jié)構(gòu)上。
然而,最初,這些結(jié)構(gòu)不能被刺激發(fā)光。通過與慕尼黑技術(shù)大學(xué)沃爾特·肖特基研究所(Walter Schottky Institute)的同事們交換意見,他們分析了每一代人的光學(xué)特性,最終將生產(chǎn)工藝優(yōu)化到納米線確實能夠發(fā)光的完美程度。
巴克斯說:“與此同時,我們的性能幾乎可以與InP或GaAs相媲美?!薄R虼?,用鍺硅合金制造的、能夠集成到傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中的激光似乎只是一個時間問題。
喬納森·芬利說:“如果我們能夠通過光學(xué)手段實現(xiàn)芯片內(nèi)和芯片間的電子通信,速度可以提高1000倍?!?。此外,光學(xué)和電子學(xué)的直接結(jié)合可以大大降低自動駕駛汽車中激光雷達芯片、醫(yī)療診斷用化學(xué)傳感器以及空氣和食品質(zhì)量測量的成本
'Direct Bandgap Emission from Hexagonal Ge and SiGe Alloys' by E. M. T. Fadaly et al; Nature, 8. April 2020
順帶一提,復(fù)旦大學(xué)團隊在2018年宣布成功研制出全硅激光器,該成果在Science Bulletin以快報形式報道。為了大幅增強硅的光增益,復(fù)旦大學(xué)團隊借鑒并發(fā)展一種高密度硅納米晶薄膜生長技術(shù),顯著地提高硅發(fā)光層的發(fā)光強度。同時,為克服通常氫鈍化方法無法充分飽和懸掛鍵缺陷這一問題,團隊發(fā)展了一種新型的高壓低溫氫鈍化方法,使得硅發(fā)光層的光增益一舉達到通常III-V族激光材料(如GaAs、InP等)的水平。
在此基礎(chǔ)上,該團隊設(shè)計和制備了相應(yīng)的分布反饋式(DFB)諧振腔,最終成功獲得光泵浦DFB型全硅激光器。