发光的硅纳米线揭示了如何将光学器件放入CPU中

硅锗合金发光，可能是将来的CPU光通信激光器

集成电路中的关键术语是集成。制造设施集成事物的能力限制了可用的工艺以及可以安全使用的材料。一旦您提出不同的材料或流程，整个链条就被打断了，任何建议它的人都应该期望人们质疑您对当前职位的适合性。“兼容性”是为什么您在笔记本电脑中找不到激光供电的集成电路的原因。

但是，使用发光的（但尚未发射激光）硅的演示可能会提高使用与集成电路兼容的材料制造激光器的能力。

看起来光明的一面

光学和激光是高速数据传输的基础。请勿使用铜线以1Tb / s的速度传输数据。相反，您将使用玻璃和一些微调且非常昂贵的激光二极管。但是激光二极管的制造工艺和材料与集成电路制造不兼容。因此，虽然可以在RAM模块和CPU之间创建光学互连，但是您必须以某种方式将光学器件正确地粘合到硅芯片上。研究实验室很乐意为此类创业牺牲博士生，但博士生机器人的伸缩性不好，维护成本高，并且其部署会导致外观暗淡。

更好的解决方案是使硅发光，但实际上不喜欢这样做。原因并不那么复杂，但是确实需要用几句话来解释。

光是由带电粒子（如电子）产生的，它们释放能量以发射光子。在半导体中，电子不能仅具有任何旧能量-它们必须具有材料结构允许的能量。半导体中可用的电子态是有限的，这可能会导致问题。例如，电子可能具有相当大的旧能量，但由于所有较低能态已经被电子占据，因此无法发射。

情况比这更黑暗，因为状态的定义不仅限于能量。它们的特性包括动量，角动量等。因此，可能有一个低能量状态的电子可利用，以节省能量，但是电子不能直接进入该状态，因为它的动量不正确。

这正是硅中电子面对的问题。电子可以被激发，并应发射近红外光子以消除其多余的能量。但是，所有可用的低能态都要求电子同时发射光子并改变动量（通常是通过反弹硅原子）。由于这种组合极不可能发生，因此电子只是在碰撞附近反弹而失去能量和动量。

电子不能简单地越过能垒的材料称为间接带隙半导体。在这些半导体中，几乎不发光。

硅不是唯一这样的材料。研究人员受到其近亲锗的行为的启发，而锗的行为同样没有启发。如果改变了锗的晶体结构（锗原子的排列方式），则电子可以发射光子而不必改变动量。换句话说，带隙根据材料的结构从间接改变为直接。

在一起更好

为了使硅发光，研究人员转向了合金。关于半导体的一个很酷的事情是，当您对它们进行合金化处理时，它们的光学和电子特性会趋于平稳变化。如果将锗添加到硅中，则所得合金将开始显示锗的某些特性。但是，虽然某些属性可以连续调整，但其他属性则不能。带隙是直接的或间接的，不是混合的。那么，使硅发光需要多少锗？

答案是大约65％。

为了得出这个数字，研究人员种植了硅锗合金纳米线。纳米线允许他们选择一种模板材料，该材料迫使硅锗合金形成正确的晶体结构以形成带隙。研究人员还可以比较不同质量的晶体结构。

研究人员的实验着重于质量：纳米线必须接近完美，才能从其中获得合理数量的光。所有晶体中都存在错误（间隙或位错），而高质量晶体则更少。但是，一旦研究人员完善了纳米线的制造工艺，产生的纳米线将发出令人惊讶的大量光。

与成熟的激光二极管技术相比，光量低，但与以前可用的相比，光量仍然高。闪闪发光的硅似乎揭示了一条可行的途径，可以将光通信所需的所有元素都放置在硅芯片上。这意味着与内存，硬盘驱动器等外围设备的通信可以更快。这也意味着诸如片上时钟同步之类的事情更容易组织。但是，要使所有这些事情发生，研究人员的微弱发光线必须烧入晶圆厂可接受材料的清单中。