Sprong voorwaarts voor fotonica: silicium zendt licht uit

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."

Een 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."