Stralend silicium als alternatief voor hete elektronica

Micro-elektronica Chips worden heet door de elektronen die erin bewegen. In Eindhoven is een alternatief ontwikkeld: een lichtbron van silicium.

Een van de auteurs van de Eindhovense publicatie in Nature, Elham Fadaly.
Een van de auteurs van de Eindhovense publicatie in Nature, Elham Fadaly. Foto Sicco van Grieken/SURF

De drang naar al maar kleinere, snellere en energiezuinigere elektronica begint tegen limieten aan te lopen. Om de grenzen van micro-elektronica toch verder op te rekken, kijken chipontwerpers naar lichtsignalen ter vervanging van tragere elektrische signalen. Onderzoekers van onder andere de TU Eindhoven hebben daarin een belangrijke stap zet. Ze hebben een legering met silicium ontwikkeld die licht uitzendt: de ‘heilige graal’ in micro-elektronica. Hun resultaten verschenen vorige week in Nature.

„Op een chip zitten nu koperlijntjes waarmee signalen rondgestuurd worden”, vertelt Erik Bakkers van de TU Eindhoven. Als elektronen daardoor bewegen ervaren ze weerstand, wat warmte veroorzaakt. Daarom wordt je processor warm en moet er een ventilator gaan draaien om te voorkomen dat je computer oververhit raakt. „Licht ervaart veel minder weerstand waardoor er minder koeling nodig is. Elektronica met licht is dus energie-efficiënter.” Bovendien kunnen optische signalen in een chip duizend keer sneller zijn dan elektrische.

Groot struikelblok

Al deze mooie eigenschappen van elektronica op basis van licht, genaamd fotonica, zijn al langer bekend – er wordt al ruim zestig jaar aan gewerkt. Er is een groot struikelblok: je hebt een lichtbron nodig, een minuscuul lasertje dat in een chip verwerkt kan worden. Maar silicium, het materiaal waaruit chips grotendeels bestaan, kan geen licht uitzenden. Daarom werken onderzoekers nu vaak met complexere en duurdere materialen als galliumarsenide en indiumfosfide.

Een lichtbron van silicium heeft veel voordelen. Het materiaal is rijkelijk aanwezig op aarde en is dus goedkoop. Ook wordt er al bijna een halve eeuw elektronica mee gemaakt, waardoor er een goede productie-infrastructuur voor is.

Zeshoekige structuur

Vijftig jaar geleden werd in een wetenschappelijk artikel beschreven dat een combinatie van silicium en germanium in een zeshoekige atomaire structuur de juiste materiaaleigenschappen kan hebben om licht uit te zenden. „Normaal gesproken heeft een silicium-germaniumlegering een kubusvormige atomaire structuur”, vertelt Bakkers. „Die structuur hebben we veranderd in een zeshoekige door de stapeling van de atomen in het materiaal iets aan te passen.”

Hiervoor lieten de Eindhovense onderzoekers eerst een extreem dun draadje (0,035 micrometer doorsnee) van galliumarsenide groeien, dat een zeshoekige structuur heeft. Als een soort schil lieten ze daaromheen silicium-germanium groeien. „Door de zeshoekige structuur van galliumarsenide werd het silicium-germanium gedwongen om ook in een zeshoekige structuur te groeien”, zegt Bakkers.

Het lukte de onderzoeksgroep in 2015 om zo zeshoekig silicium-germanium te produceren. Maar het materiaal kon toen nog geen licht uitstralen. Door de kwaliteit ervan te verbeteren – er zitten minder onzuiverheden en andere gebreken in – kan het silicium-germanium sinds kort wel licht uitzenden.

Trilling in het rooster

Het materiaal straalt uit als er met een laser op wordt geschenen. Het laserlicht zorgt ervoor dat een elektron in het materiaal extra energie krijgt en in een hogere energietoestand komt. Zodra het elektron ‘terugvalt’ naar diens oorspronkelijke energieniveau zendt het licht uit. In gewoon silicium zorgt het terugvallende elektron voor een soort trilling in het atomaire rooster van het materiaal waardoor er niet meer genoeg energie over is om licht uit te zenden.

Uiteindelijk is het doel om het silicium-germanium zelfstandig licht uit te laten zenden, zonder een extra laser. „Ik denk dat ons dat dit jaar nog gaat lukken”, zegt Bakkers. „Op dit moment zijn onze labs dicht en kunnen we niet experimenten. Maar dat geeft ons de kans om met computermodellen uit te rekenen hoe we het materiaal de beste rasterstructuur kunnen geven.”

Bakkers denkt dat het over vijf tot tien jaar mogelijk is om lichtbronnen van silicium-germanium te verwerken in elektronica. „Deze technologie zal eerst ingezet worden bij grote datacenters waar zo het energieverbruik omlaag kan en de snelheid omhoog. Zoals dat meestal gaat, zal de techniek daarna doorsijpelen naar consumentenelektronica.”