几六年来，“硅发光”一直是微电子行业的圣杯，解决这个困局将彻底改变估算，由于受惠于此，芯片将显得比往年任何时侯都快。
日前，巴萨理工学院（TU/e）的研究人员如今早已开发出一种硅合金，这些硅合金可以发光，实现光子传输。该团队如今将在此基础上开发一种硅激光器，集成到当前芯片中。
图源：佛罗伦萨科技学院
光子通讯取代电子通讯，芯片提速1000倍
目前以半导体为基础的技术正在达到顶峰，但限制诱因是热量。
在电子电路中量子传输速度，数据一般通过电子流传输，而电子流在通过芯片晶体管的铝线和许多内阻时，会形成大量热量。这意味着数据量越大，电子流传输形成的热量越多。若要继续推动数据传输，则须要一种不形成热量的新技术——光子传输。
近来，巴萨科技学院的一项新研究表明，硅可以发射光子来传输数据，传输过程中并不会带来热量，可以清除高煤耗芯片与芯片间通讯带来热量过多，造成传输平缓的问题。
使用光学装置来检测发射的光
图源：佛罗伦萨科技学院
光纤中一般是通过光子来携带信息而不是电子。与电子相反，光子不经历内阻，因为它们没有质量或电荷，它们在所通过的材料中的散射会更少，因而不会形成热量，能源消耗将降低。
据悉，通过用光通讯取代芯片内的电子通讯，芯片内和芯片间通讯的速率可以提升1000倍，数据中心将获益颇丰，数据传输速率更快，冷却系统煤耗更低。并且这种光子芯片也将带来触手可及的新应用，想一想激光雷达手动驾驶车辆和物理传感的医疗确诊、测量空气和乳品质量。
不过，在芯片中使用光须要集成激光器，但计算机芯片的主要半导体材料硅在发光方面效率极低，因而硅常年以来被觉得在光子学中不起作用，而光子芯片也迟迟没能成为现实。
于是，科学家们开始转向了能隙宽的半导体，比如铌酸锂和磷化铟，二者都擅长发光。一个法国财团的研究人员对硅片的量子光子波导电路进行了实验，还有加利福尼亚学院圣巴巴拉学校的研究人员也研究了高功率磷化铟光子集成电路。
但铌酸锂和磷化铟的根本问题在于，它们很难集成到现有的硅微芯片中，不能与硅挺好地发挥作用，但是二者本身都很高昂，成本实在太高。
为此，巴萨科技学院的研究人员认识到，硅依然是现今制造绝大多数IC的首选材料，假如硅也可以发射光子并由此提高数据通讯，同时去除热量问题，对于设计者来说，但是莫大的福音。
突破：圆形硅锗总算发光
接出来，研究人员举办了数年对这些发光硅解决方案的研究。
她们遇见最大的问题是硅的间接带隙制止了硅的发光，因此，她们把眼神投向了将硅与锗结合成多边形结构的方式，希望进而实现发射和透射光的直接带隙。
来自TU/e的首席研究员Erik说：
“关键在于所谓的半导体带隙的性质，假若电子从导带‘滴’到价带，半导体都会发出光子。并且，假如导带和价带互相位移（称为间接带隙）量子传输速度，就不能像硅那样发射光子。不过，一个50年前的理论表明，与锗合金并产生六角形结构的硅确实具有直接的带隙，因而可能会发光。”
但其实理想与现实常常不是同一回事。2015年，不来梅科技学院的研究人员发表了一篇论文，论证了将磷化镓制成的圆形壳体用作圆形硅的模板。她们成功地在圆形壳体中生产了硅，但事实证明该壳体未能透射或发光。
不过，近日该研究迎来了转机。在Erik的率领下，许多相同的研究人员早已设法制造出一种改进的圆形硅锗壳。当由外部激光器迸发时，所得的硅锗纳火锅实际上能否透射光。
硅锗壳制成的光导纳拉面
图源：不来梅科技学院
依据的说法，下一步是创建实际的激光来迸发纳火锅，其实，所谓纳拉面就是指硅。
2020年，世界首个硅激光器将现
圆形SiGe合金的发射特别有效，适宜开始生产全硅激光器。但直至现今，还不能使它们发光。团队正在通过降低杂质和晶体缺陷的数目，设法提升了六角形硅锗壳体的质量，当用激光迸发纳拉面时，她们可以检测新材料的效率。
图源：佛罗伦萨科技学院
是第一作者，也是负责检测光发射的研究人员，他说：“我们的实验表明，这些材料结构正确，没有缺陷，它能十分有效地发光。”
说：
“到目前为止，我们早已实现了几乎可以与磷化铟和硅片相抗衡的光学性能，而且材料的质量正在大幅增强。假如运行平稳，我们可以在2020年制造出硅基激光器。这将使光学功能与主流电子平台紧密集成，这将打破片上光通讯和基于波谱学的价钱合理的物理传感的开放前景。”
这么一来，成功研制出硅激光器，也只是时间问题。
