芯片行业的老难题有望解决

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在过去的50年中，全球研究人员一直在寻找一种用硅或锗制造激光器的方法。最近，来自埃因霍温技术大学（TU / e）和慕尼黑技术大学（TUM）的团队现成功开发出发光的硅锗合金。这可能将首次实现能够集成到当今芯片中的硅激光器的开发。

众所周知，电子芯片在处理数据时会发热。笔记本电脑开始在用户的膝盖上开始感到不适。数据中心需要耗能的冷却设备。而解决这些问题的办法可能就在于光子学领域——因为光脉冲不会散发热量。

在过去的半个世纪中，这种见解驱使研究人员努力制造硅或锗基激光器，但迄今为止都是徒劳的。因为芯片行业的主力硅通常在立方晶格中结晶。以这种形式，它不适合将电子转换成光。

最近 埃因霍温技术大学的研究人员与慕尼黑工业大学以及耶拿大学和林茨大学的同事一起，开发出由锗和硅制成的能够发光的合金。

关键的一步是从具有六方晶格的锗和硅生产锗和合金的能力。TUM的半导体量子纳米系统教授Jonathan Finley教授说：“这种材料具有直接的带隙，因此自身可以发光。”

埃因霍温大学的埃里克·巴克斯（Erik Bakkers）教授及其团队于2015年首次生产六角形硅。他们首先使用由另一种材料制成的纳米线来生长六角形晶体结构。这用作锗硅壳（shell）的模板（template），其下的材料在其上施加了六方晶体结构。

然而，最初，这些结构不能被激发发光。通过与慕尼黑工业大学的Walter Schottky研究所的同事进行思想交流，他们分析了每一代的光学特性，最终将生产过程优化到了完美的水平，纳米线确实能够发光。

Bakkers教授说：“与此同时，我们已经获得了几乎与磷化铟或砷化镓相当的性能。” 那就意味着开发由锗硅合金制成并能够集成到常规生产工艺中的激光器似乎只是时间问题。

乔纳森·芬利说：“如果我们可以通过光学手段实现片上和片间电子通信，则速度可以提高多达1,000倍。” “此外，光学和电子技术的直接结合可以大大降低自动驾驶汽车中基于激光雷达的芯片，用于医学诊断的化学传感器以及空气和食品质量测量的芯片成本。”

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Bakkers说，他不期望未来的计算机芯片将完全是光学的。在诸如微处理器之类的组件内，使用电子移动晶体管之间的短距离仍然有意义。但是对于“长”距离（例如，计算机的CPU与内存之间或小的晶体管簇之间），使用光子而不是电子可以提高计算速度，同时减少能耗并从系统中散热。电子必须依次传输数据，一个电子必须依次传输数据，而光信号可以在物理上尽可能快地一次在许多通道上传输数据，即光速。

由于光子电路可以快速地在计算机芯片周围重新整理大量数据，因此它们很可能在数据密集型应用中得到广泛使用。例如，它们可能是自动驾驶汽车中计算机的福音，后者必须实时处理来自车载传感器的大量数据。光子芯片也可能具有更多的普通应用。由于它们产生的热量不如电子芯片多，因此数据中心不需要那么多的冷却基础设施，这可以帮助减少大量的能源消耗。

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