Doorbraak: silicium zendt licht uit

Het is onderzoekers in onder meer Eindhoven voor het eerst gelukt om een op silicium gebaseerd materiaal te maken dat efficiënt licht kan uitzenden. Dit is een belangrijke stap op weg naar een laser van silicium, waarmee razendsnelle optische verbindingen in chips binnen handbereik komen.

De bestaande lasers die nu worden gebruikt in optische chips zijn gemaakt van de exotische materialen indiumfosfide (InP) of galliumarsenide (GaAs). De grondstoffen daarvoor zijn schaars en daardoor prijzig. Misschien nog wel erger is het feit dat deze lasers niet goed passen op de platforms van silicium waar ze op moeten functioneren; ze moeten daar letterlijk op worden gelijmd.

Materiaalwetenschappers proberen daarom al tijden een laser te ontwikkelen op basis van silicium, het meest gebruikte materiaal in de elektronica-industrie. Silicium wordt gemaakt van zand en dat is overvloedig aanwezig op aarde. Belangrijker: een toekomstige laser van silicium is te integreren op chips (integrated circuits, IC’s) van silicium. Silicium is de standaard in de elektronicawereld en alle productieprocessen zijn op dit materiaal afgestemd. 

Nu een silicium-laser voor het eerst in zicht komt, belooft dit ook veel snellere verbindingen binnenin chips en tussen chips onderling; namelijk met de snelheid van het licht. Dit is een cruciale stap om de computers van morgen sneller en datacenters energiezuiniger mee te maken.
 

Zeshoekige kristalstructuur

Eerst even terug naar de eigenschappen van het halfgeleidermateriaal silicium. Dat is normaal gesproken erg slecht in het uitzenden van licht (dat is wat een laser doet). In de jaren zeventig van de vorige eeuw konden wetenschappers echter beredeneren dat een andere structuur van het materiaal in theorie wél efficiënt licht zou uitzenden.

Waar ‘gewoon’ silicium een kubisch kristalrooster (de regelmatige ordening van de atomen) heeft, berekenden deze wetenschappers eind vorige eeuw dat silicium in een zeshoekige kristalstructuur wel op een efficiënte manier licht zou kunnen uitzenden. Het was in de afgelopen vijftig jaar alleen nog niemand gelukt om zoiets te maken; daar waren de beschikbare technologieën te beperkt voor.

Tot nu toe dan, want onderzoekers uit de groep van hoogleraar Erik Bakkers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een zuiver zeshoekige (hexagonale) structuur gemaakt met een legering van silicium, die efficiënt licht uitzendt. Daarover rapporteren ze in een artikel in het gerenommeerde wetenschapsblad Nature, dat gisteravond verscheen.

 

Nanodraden

De structuur bestaat uit silicium- en germaniumatomen, beide veelgebruikte materialen in de halfgeleiderindustrie. Bakkers en collega’s in Eindhoven, Duitsland en Oostenrijk bouwden de structuur door gebruik te maken van nanodraden, een specialiteit van Bakkers’ groep. Deze structuur van nanodraden fungeerde als een sjabloon om de gewenste uiteindelijke structuur op te laten groeien.

De nanodraden kwamen als hoge smalle kolommen naast elkaar te staan. Zowel de breedte van zo'n kolom als de ruimte tussen de kolommen is ongeveer 1 micrometer breed. Dit geeft voldoende ruimte tussen de kolommen voor het nieuwe materiaal om daar aan te groeien. ‘We hebben die zijkant van de kolommen nodig, want daar gaat ons silicium aangroeien in de vorm die we willen: hexagonaal’, vertelt Elham Fadaly via Skype. Zij is een van de natuurkundigen die het meeste experimentele werk heeft verricht.
 

'Grote stap'

Vooraf hadden Bakkers en zijn team berekeningen gemaakt van hoe de siliciumstructuur er precies uit moest komen te zien, en volgens Fadaly komt het gedrag van het uiteindelijke materiaal daar goed mee overeen.

‘We hebben een grote stap gezet met ons werk — misschien wel de belangrijkste — maar de volgende stap is om uit het zeshoekige materiaal ook echt een laser te fabriceren. Daar richten we ons nu op’, zegt Fadaly. ‘Wat we nu kunnen maken is een kolom van het nieuwe materiaal. Dat moeten we ook platter kunnen maken, zodat we er de gewenste vorm uit kunnen halen voor de laser.’
 

Snellere chips

Is zo’n siliciumlaser eenmaal een feit, dan zijn daarmee verschillende nuttige toepassingen mogelijk. Veruit de belangrijkste is snellere computerchips, denkt Fadaly. ‘We lopen nu tegen de grenzen aan van de miniaturisatie van chips. Het grootste probleem is de vermogensdissipatie als gevolg van de weerstand van die metalen verbindingen. Ze genereren veel warmte.’ Optische signalen hebben hier in het geheel geen last van.
 

Twee routes

De grenzen van de Wet van Moore zijn dus in zicht. Om dit knelpunt op te lossen, en toch steeds krachtiger computers te kunnen maken, zien ingenieurs en natuurkundigen twee belangrijke routes, zegt Fadaly. ‘De eerste is de quantumcomputer.’ Daar wordt hard aan gewerkt (Lees ook: ‘Op naar de grootschalige quantumcomputer’), maar een praktische machine is er nog lang niet.

Bij de tweede route worden honderden of duizenden processorkernen (cores) in één enkele microprocessor geïntegreerd. Dit geheel zal een enorme rekenkracht hebben, maar om het goed te laten werken, moeten de verbindingen tussen de kernen — de interconnects — razendsnel zijn, en dus optisch. ‘Dat is waar we echt die laser van silicium (of germanium) nodig zullen hebben.’
 

Door de mist heen kijken

Die beoogde lichtbron van silicium zal trouwens ook nut hebben in kleinere toepassingen, zoals sensoren die luchtvervuiling meten of in het lichaam worden geplaatst. Veel wordt ook verwacht van een lidar (Laser Imaging Detection And Ranging) waarmee auto’s om zich heen ‘kijken’. ‘Doordat een silicium-laser licht voortbrengt met een golflengte van 1550 nanometer en langer, is dit veilig voor onze ogen. Ook gaat dit licht door mist heen; nogal een voordeel als de autonome auto door mist heen kan kijken.’

 

 

Openingsfoto: onderzoekers Elham Fadaly (links) en Alain Dijkstra (rechts) van de TU Eindhoven bedienen een optische opstelling om licht-emissie te meten. Foto: Sicco van Grieken, SURF.