Halfgeleider-roadmap dwingt nieuwe oplossingen af

Een blik op de International Technology Roadmap for Semiconductors toont de uitdagingen: als de ontwikkelingen in de communicatietechniek op de huidige voet doorgaan, dan moet in het jaar 2020 aan de uitgang van de desbetreffende chips 100 terabit per seconde worden overgedragen. Voor degenen die nog in megabits rekenen: dat zijn 100 miljoen megabit per seconde

Er bestaat momenteel nog geen technologie die met zo’n enorme overdrachtscapaciteit uit de voeten kan. In het kader van zijn industrieprogramma heeft nu Imec in Leuven zich gecommitteerd om samen met de Universiteit Gent een oplossing te vinden. met de huidige kennis leidt er slechts één weg naar die oplossing: via silicium-fotonica. Niet alleen de minuscule afmetingen van de componenten, maar ook de compatibiliteit met de belangrijkste halfgeleiderprocessen leiden tot deze conclusie. een eerste stap op weg naar nieuwe, ultrasnelle I/O-technologie tussen chip en omgeving is de ontwikkeling van een siliciumwafer met fotonische omzetters, die – parallel geschakeld – de reusachtige hoeveelheden data in het elektronicadomein  kunnen omzetten in optische data, en omgekeerd.

De universiteit van Berkeley pakt het onderwerp van een andere kant aan: als je de data lang fotonische weg wilt overdragen dan is er een monochromatische drager nodig in de vorm van een laserbron. Die zou je dan direct op de siliciumchips willen integreren, maar dat leidt tot problemen. Lasers worden gemaakt van AIIIBV-verbindingen en het kristalrooster daarvan verdraagt zich niet met het kristalrooster van silicium. Bovendien is voor het vervaardigen van II-V-verbindingen een temperatuur nodig van ongeveer 700 °C, maar zo’n temperatuur beschadigt de siliciumchips.

De onderzoekers bewandelen, onder leiding van professor Connie Chang-Hasnain, nu een nieuwe weg: ze kweken een nanozuiltje van het II-V-materiaal indiumgalliumarsenide op het silicium. Daarmee kan in het nabije infrarood bij ongeveer 900 nm de gewenste dragerstraling worden gegenereerd. Deze zuiltjes zijn aan elke zijde kleiner dan een golflengte  Bij de vervaardiging ervan wordt gebruik gemaakt van de gangbare CMOS-technologie, zodat er geen nieuwe complexe productiestructuren nodig zijn.

[bild2]

[bild3]

De Berkeley University laat zien hoe je op een siliciumwafer – ondanks verschillende kristalstructuren – een nanolaser van III-V-verbindingen kan aanbrengen. Dit zijn afbeeldingen van e vervaardigde laser-nanozuiltjes. (foto: Connie Chang-Hasnain Group, Berkeley University)