EO

Sprong voorwaarts voor fotonica: silicium zendt licht uit

08 april 2020 om 17:00 uur

Gedeelde eerste auteur Elham Fadaly bedient de Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). Deze machine groeit de nanodraden met een zeshoekige silicium-germaniumschil. Foto: Sicco van Grieken, SURF.

Al tientallen jaren geldt het als de Heilige Graal in de micro-elektronica-industrie: silicium dat licht uitzendt. Het oplossen van deze puzzel zou een revolutie voor de computerindustrie betekenen, want chips worden hiermee sneller dan ooit. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven zijn daar nu in geslaagd.


Ze hebben een legering met silicium ontwikkeld die licht kan uitzenden en maken nu een siliciumlaser om in de huidige chips te integreren. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature.

 

Fotonen ervaren geen weerstand. Omdat ze geen massa of lading hebben, verstrooien ze minder dan elektronen in het materiaal waar ze doorheen reizen en ze produceren geen warmte, waardoor het energieverbruik verminderd. Door de elektrische communicatie binnen een chip te vervangen door optische communicatie, kan de snelheid in de chip én tussen de chips bovendien met een factor 1000 worden verhoogd. Datacenters profiteren hiervan, maar fotonische chips brengen ook nieuwe toepassingen binnen handbereik. Zoals een radar met laser voor zelfrijdende auto's en chemische sensoren voor medische diagnose of voor het meten van de lucht- en voedselkwaliteit.

 

Silicium is echter extreem inefficiënt in het uitzenden van licht. Daarom werd lang gedacht dat het geen rol zou spelen in de fotonica. Wetenschappers hebben zich hierdoor gericht op complexere halfgeleiders, zoals galliumarsenide en indiumfosfide. Deze zijn goed in het uitzenden van licht, maar zijn duurder en moeilijk te integreren in bestaande silicium-microchips.

 

De onderzoekers zijn er nu echter in geslaagd om een vorm van silicium te vinden die licht kan uitstralen. Samen met onderzoekers van de universiteiten van Jena, Linz en München combineerden ze silicium en germanium in een zeshoekige kristalstructuur die licht kan uitstralen. Een doorbraak na 50 jaar werk.

 

 

Zeshoekige structuur

"De crux zit hem in de aard van de zogenaamde bandkloof van een halfgeleider", zegt hoofdonderzoeker Erik Bakkers. "Als een elektron van de geleidingsband naar de valentieband 'valt', zendt een halfgeleider een foton uit: licht. Maar als de geleidingsband en de valentieband niet recht tegenover elkaar staan - ook wel een indirecte bandkloof genoemd - zenden ze geen fotonen uit. Dat is bij silicium het geval. Een 50 jaar oude theorie toonde echter aan dat silicium gelegeerd met germanium en gevormd in een zeshoekige kristalstructuur, wel een directe bandkloof heeft, en dus mogelijk licht kan uitzenden," zegt Bakkers.

 

Het vormen van silicium in een zeshoekige kristalstructuur is echter niet eenvoudig. Omdat Bakkers en zijn team de techniek van het groeien van nanodraden onder de knie hebben, waren ze in 2015 al in staat om zeshoekig silicium te maken. Ze realiseerden dit zuivere zeshoekige silicium door eerst nanodraden te groeien van een ander materiaal, met een hexagonale kristalstructuur. Vervolgens hebben ze een silicium-germaniumschil op dit sjabloon laten groeien. Elham Fadaly, gedeeld eerste auteur van het Nature artikel: "Door de siliciumatomen op het zeshoekige sjabloon te groeien, wisten we te realiseren dat deze ook in dezelfde zeshoekige kristalstructuur groeiden."

 

lichtEen kijkje in de machine ‘Metal Organic Vapor Phase Epitaxy' (MOVPE). Deze machine werd gebruikt om de nanodraden met een zeshoekige siliciumgermaniumschil te groeien. Foto: Nando Harmsen 

 

 

Silicium laser

Maar het zeshoekige silicium kon op dat moment nog geen licht uitstralen. Tot nu. Het team van Bakkers slaagde er sinds 2015 in om de kwaliteit van het zeshoekige silicium-germanium te verhogen door het aantal onzuiverheden en kristalgebreken te verminderen. Door vervolgens de nanodraad met een laser te beschijnen, konden ze de efficiëntie van het nieuwe materiaal meten. Alain Dijkstra, gedeelde eerste auteur van het artikel en verantwoordelijk voor het meten van de lichtemissie: "Onze experimenten toonden aan dat het materiaal de juiste structuur heeft, en dat het vrij is van defecten. Het straalt zeer efficiënt licht uit."

 

Een laser maken is nu een kwestie van tijd, denkt Bakkers. "Inmiddels hebben we optische eigenschappen gerealiseerd die bijna vergelijkbaar zijn met indiumfosfide en galliumarsenide. Bovendien is de kwaliteit van de materialen sterk verbeterd. Als alles goed gaat, kunnen we in 2020 een laser maken op basis van silicium. Dit maakt het mogelijk om optische functionaliteit te integreren in het dominante elektronicaplatform. Daarmee zullen we de vooruitzichten voor optische communicatie op de chip en betaalbare chemische sensoren op basis van spectroscopie openbreken."

 

Reacties (1)

congrat
anton van Putten, 9 april 2020 11:24
 

Gerelateerd nieuws

Kansen voor bedrijven in de vermogenselektronica richting 2030

Kansen voor bedrijven in de vermogenselektronica richting 2030

“Ondanks de uitdagingen waar het Nederlandse bedrijfsleven op de korte termijn mee geconfronteerd wordt, zijn de kansen in het veld van vermogenselektronica groot en talrijk.” Deze kansen en mogelijkheden zal…

VS 3D-printen reactorkern

Amerika 3D-print reactorkern "(video)

Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben een metalen reactorkern ge-3D-print. Over twee jaar willen ze de gehele reactorproductie hebben gemoderniseerd.

AI wordt concreet toepasbaar voor de industrie in publiek-private samenwerking

AI wordt concreet toepasbaar voor de industrie in publiek-private samenwerking

De Jheronimus Academy of Data Science (Jads) zal de komende vier jaar met een consortium van academische en industriële partners werken aan de ontwikkeling van een Artificial Intelligence (AI)-toolkit, bestaande uit…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
MVK Fusion - 3 modules in 1

Murrelektronik introduceert een PROFINET/PROFIsafe module welke drie basisfuncties in één module verenigt:

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

16 juni 2020, online

Power Electronics event

Het doel van dit event is de diversiteit van toepassingen, innovaties en kennis te presenteren op het...

23 juni 2020, online

Industrial Ethernet Event

Hoe kun je het maximale uit Industrial Ethernet halen?

11 augustus 2020, Vianen

Masterclass Machineveiligheid XL

11, 12 , 18, 19 augustus 2020

Meer agendapunten »