發(fā)明硅和鍺發(fā)光合金！制造光子芯片將給計(jì)算機(jī)帶來革命性變化！

【手機(jī)軟件：博科園】如果計(jì)算機(jī)使用光子而不是電子來傳輸數(shù)據(jù)，它們的性能會(huì)更好，耗電量也會(huì)更少?？茖W(xué)家們目前正在研究一種新的硅和鍺發(fā)光合金，以獲得光子芯片，這將給計(jì)算機(jī)帶來革命性的變化。光子，即構(gòu)成光的粒子，已基本取代電子在通信網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。光信號(hào)的高帶寬推動(dòng)了電話系統(tǒng)、電視廣播和互聯(lián)網(wǎng)的巨大增長(zhǎng)，然而，光子還沒有取代計(jì)算機(jī)中的電子。

使用光在處理器芯片及其互連中傳輸數(shù)據(jù)將大大提高計(jì)算機(jī)的速度（芯片內(nèi)和芯片間的通信速度可以提高1000倍），同時(shí)降低它們運(yùn)行所需的功率。先進(jìn)的微處理器芯片可以包含數(shù)百億個(gè)晶體管，它們的銅電互連在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。與光子不同，電子有質(zhì)量和電荷。當(dāng)它們流經(jīng)金屬或半導(dǎo)體材料時(shí)，它們被硅和金屬原子散射，導(dǎo)致它們振動(dòng)并產(chǎn)生熱量。因此，供應(yīng)給微處理器的大部分電力都被浪費(fèi)了。

從硅中發(fā)光的挑戰(zhàn)

電子工業(yè)正準(zhǔn)備在計(jì)算機(jī)芯片中使用硅，因?yàn)樗哂袃?yōu)越的電子性能和可用性。它是一種很好的半導(dǎo)體，是一種豐富的元素，和硅氧化物一樣，它也是玻璃和沙子的成分。然而，由于硅的晶體結(jié)構(gòu)，它在處理光方面并不是很好。例如，它不能產(chǎn)生光子或控制其流量以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?？茖W(xué)家研究了砷化鎵和磷化銦等發(fā)光材料，但它們?cè)谟?jì)算機(jī)中的應(yīng)用仍然有限，因?yàn)樗鼈儧]有與當(dāng)前的硅技術(shù)很好地結(jié)合在一起。

光電子芯片

來自歐洲的科學(xué)家在《自然》期刊上發(fā)表了一種新型的硅和鍺合金，它具有光學(xué)活性。荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)的物理學(xué)家喬斯·哈弗科特(Jos Haverkort)說：這是第一步，我們證明了這種材料非常適合發(fā)光，而且它與硅兼容。下一步是開發(fā)一種硅兼容激光器，它將被集成到電子電路中，作為光電子芯片的光源，這是由歐盟FET計(jì)劃支持的SILAS項(xiàng)目最終目標(biāo)。

該研究小組由埃因霍溫大學(xué)的埃里克·巴克斯(Erik Bakkers)領(lǐng)導(dǎo)，還包括來自德國(guó)耶拿和慕尼黑大學(xué)、奧地利林茨大學(xué)、英國(guó)牛津大學(xué)和瑞士IBM大學(xué)的研究人員。為了制造這種激光器，科學(xué)家們將硅和鍺結(jié)合在一個(gè)能夠發(fā)光的六邊形結(jié)構(gòu)中，克服了硅的缺點(diǎn)，因?yàn)楣柚械脑邮且粤⒎襟w形式排列。這是一個(gè)困難的項(xiàng)目，通過在六角鍺層上沉積硅原子來誘使硅采用六方結(jié)構(gòu)的初步嘗試失敗了。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)的喬納森·芬利(Jonathan Finley)解釋說：當(dāng)硅生長(zhǎng)在平面六角鍺上時(shí)，硅頑固地拒絕改變其立方結(jié)構(gòu)。芬利通過測(cè)量產(chǎn)生的硅樣品光學(xué)性質(zhì)，能夠通過這種不同尋常的硅鍺生長(zhǎng)。然而，多年來，埃因霍溫大學(xué)研究小組已經(jīng)開發(fā)出了生長(zhǎng)納米管的專業(yè)知識(shí)，并推斷在鍺平面上不起作用的東西，可能會(huì)在納米管的曲面上起作用，這一次事情解決了。

所做的是使用砷化鎵納米線，它有一個(gè)六角形的結(jié)構(gòu)，所以有一個(gè)六角形的莖，研究人員在核心周圍創(chuàng)造了一個(gè)硅殼，它也有一個(gè)六邊形的結(jié)構(gòu)。通過改變沉積在納米管上的硅和鍺的量，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍺的濃度超過65%時(shí)，這種六方合金能夠發(fā)光下一步是激光的演示，換言之，確定硅鍺合金如何將光作為激光放大和發(fā)射，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。

在硅鍺可以與硅基電子完全集成之前，有幾個(gè)懸而未決的問題需要解決：首先，這些設(shè)備必須與現(xiàn)有技術(shù)集成，這仍然是一個(gè)障礙。預(yù)計(jì)，未來量子計(jì)算機(jī)將使用低成本的硅基LED、光纖激光器、光傳感器和發(fā)光量子點(diǎn)等應(yīng)用。總體而言，從電氣通信向光通信的轉(zhuǎn)變將推動(dòng)許多領(lǐng)域的創(chuàng)新，從用于自動(dòng)駕駛的激光雷達(dá)，到用于醫(yī)療診斷或?qū)崟r(shí)空氣污染檢測(cè)的傳感器。