Algemeen nieuws

< VorigeAfbeelding 1 van 1Volgende >

Een kijkje in de machine ‘Metal Organic Vapor Phase Epitaxy' (MOVPE). Deze machine werd gebruikt om de nanodraden met een zeshoekige siliciumgermaniumschil te groeien. Foto: Nando Harmsen

Al tientallen jaren geldt het als de 'Heilige Graal' in de micro-elektronica-industrie: silicium dat licht uitzendt. Het oplossen van deze puzzel zou een revolutie voor de computerindustrie betekenen, want chips worden hiermee sneller dan ooit. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven zijn daar nu in geslaagd: ze hebben een legering met silicium ontwikkeld die licht kan uitzenden. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Het team maakt nu een siliciumlaser om in de huidige chips te integreren.

Elk jaar gebruiken en produceren we significant meer data. Maar onze huidige technologie, gebaseerd op elektronische chips, bereikt zijn plafond. De beperkende factor is warmte, die vrijkomt als gevolg van de weerstand die de elektronen ervaren. Deze weerstand ontstaat als de elektronen door de koperen leidingen reizen die de vele transistors op een chip met elkaar verbinden. Als we elk jaar meer gegevens willen blijven overdragen, hebben we een nieuwe techniek nodig die geen warmte produceert. Fotonica biedt daarvoor de oplossing, deze techniek gebruikt fotonen (lichtdeeltjes) om data over te brengen.

In tegenstelling tot elektronen ervaren fotonen geen weerstand. Omdat ze geen massa of lading hebben, verstrooien ze minder in het materiaal waar ze doorheen reizen. Ze produceren geen warmte, waardoor het energieverbruik verminderd. Door de elektrische communicatie binnen een chip te vervangen door optische communicatie, kan bovendien de snelheid van de communicatie in de chip én tussen de chips met een factor 1000 worden verhoogd. Datacenters profiteren hiervan het meest, met een snellere gegevensoverdracht en minder energieverbruik voor hun koelsysteem. Maar de fotonische chips brengen ook nieuwe toepassingen binnen handbereik. Denk aan een radar met laser voor zelfrijdende auto's en chemische sensoren voor medische diagnose of voor het meten van de lucht- en voedselkwaliteit.

‘Vallend' electron zendt een foton uit
Om licht in chips te kunnen gebruiken heb je een lichtbron nodig; een geïntegreerde laser. Het belangrijkste halfgeleidermateriaal waar computerchips nu van gemaakt zijn is silicium. Maar silicium is extreem inefficiënt in het uitzenden van licht. Daarom werd lang gedacht dat het geen rol zou spelen in de fotonica. Wetenschappers hebben zich hierdoor gericht op complexere halfgeleiders, zoals galliumarsenide en indiumfosfide. Deze zijn goed in het uitzenden van licht, maar zijn duurder dan silicium en zijn moeilijk te integreren in bestaande silicium-microchips.

Om een volledige siliciumlaser te maken, moesten wetenschappers een vorm van silicium vinden die licht kan uitstralen. Dat is precies waar onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) nu in geslaagd zijn. Samen met onderzoekers van de universiteiten van Jena, Linz en München combineerden ze silicium en germanium in een zeshoekige kristalstructuur die licht kan uitstralen. Een doorbraak na 50 jaar werk.

Zeshoekige structuur
"De crux zit hem in de aard van de zogenaamde bandkloof van een halfgeleider", zegt hoofdonderzoeker Erik Bakkers van de TU/e. "Als een elektron van de geleidingsband naar de valentieband 'valt', zendt een halfgeleider een foton uit: licht." Maar als de geleidingsband en de valentieband niet recht tegenover elkaar staan - ook wel een indirecte bandkloof genoemd - zenden ze geen fotonen uit. Dat is bij silicium het geval. "Een 50 jaar oude theorie toonde echter aan dat silicium gelegeerd met germanium en gevormd in een zeshoekige kristalstructuur, wél een directe bandkloof heeft, en dus mogelijk licht kan uitzenden," zegt Bakkers.

 
Nanodraden met een zeshoekige schil van silicium en germanium.

Het vormen van silicium in een zeshoekige kristalstructuur is echter niet eenvoudig. Omdat Bakkers en zijn team de techniek van het groeien van nanodraden onder de knie hebben, waren ze in 2015  in staat om zeshoekig silicium te maken. Ze realiseerden dit zuivere zeshoekige silicium door eerst nanodraden te groeien van een ander materiaal, met een hexagonale kristalstructuur. Vervolgens hebben ze een silicium-germaniumschil op dit sjabloon laten groeien. Elham Fadaly, de gedeelde eerste auteur van het Nature artikel: "Door de siliciumatomen op het zeshoekige sjabloon te groeien, wisten we te realiseren dat deze ook in dezelfde zeshoekige kristalstructuur groeiden."

Silicium laser
Maar het zeshoekige silicium kon op dat moment nog geen licht uitstralen, tot nu. Het team van Bakkers slaagde er sinds 2015 in om de kwaliteit van het zeshoekige silicium-germanium te verhogen door het aantal onzuiverheden en kristalgebreken te verminderen. Door vervolgens de nanodraad met een laser te beschijnen, konden ze de efficiëntie van het nieuwe materiaal meten. Alain Dijkstra, gedeelde eerste auteur van het artikel en verantwoordelijk voor het meten van de lichtemissie: "Onze experimenten toonden aan dat het materiaal de juiste structuur heeft, en dat het vrij is van defecten. Het straalt zeer efficiënt licht uit."

Een laser maken is nu een kwestie van tijd, denkt Bakkers. "Inmiddels hebben we optische eigenschappen gerealiseerd die bijna vergelijkbaar zijn met indiumfosfide en galliumarsenide. Bovendien is de kwaliteit van de materialen sterk verbeterd. Als alles goed gaat, kunnen we in 2020 een laser maken op basis van silicium. Dit maakt het mogelijk om optische functionaliteit te integreren in het dominante elektronicaplatform. Daarmee zullen we de vooruitzichten voor optische communicatie op de chip en betaalbare chemische sensoren op basis van spectroscopie openbreken."

Intussen onderzoekt zijn team ook hoe het zeshoekige silicium in de kubusvormige silicium-micro-elektronica kan worden geïntegreerd, wat een belangrijke voorwaarde is voor dit werk. Dit onderzoeksproject is gefinancierd door het EU-project SiLAS, gecoördineerd door TU/e-professor Jos Haverkort.

Afdrukken | Mail door

Meer algemeen nieuws

> E-boek over 5G
> Whitepaper bewustwording c...
Toon volledig overzicht

Column / Opinie

De grote sprong?

De zin van goede specificaties en beschrijvingen

Cyber security en handhaving

Toon alle columns / opinies

Whitepaper

De rol van sensoren in IIoT
Sensoren zijn een sleuteltechnologie geworden. Lees in deze gratis whitepaper alles over de cruciale rol van slimme sensoren in het Industrial Internet of Things en lees meer over IIoT op de themapagina van RS Components.

Advertorial

DC-spanningsomvormer - welke te kiezen?
Omvormer, spanningsdeler, lineaire stabilisator - wat moet ik kiezen?
Lees verder

advertorial

De perfecte oplossing voor toepassingen die veel contacten vereisen

advertorial

Verwen jezelf met een GRATIS Fluke 
Je verdient iets extra's na een moeilijke periode.
Als je dit voorjaar een Fluke-instrument via een erkende distributeur koopt, ontvang je een gratis Fluke-instrument!
kijk snel op www.fluke.nl/freefluke

lees e-totaal digitaal

Lees hier de meest recente editie van e-totaal magazine!
U scrollt eenvoudig door de verschillende artikelen en via de actieve hyperlinks komt u direct in contact met de verschillende leveranciers en adverteerders.

Veel leesplezier!

Wilt u de papieren editie gratis ontvangen, vul dan uw gegevens in via het contact formulier .

Advertorials

Acal BFi:
5G voor uw project?
5G is er, maar wanneer kunnen we echt beginnen?

Transfer Multisort Elektronik:
Optische kabel - alles wat u moet weten
Leds voor sterilisatie met UV-C-licht

RS Components Nederland:
Als de winkel om de hoek
RS Components neemt veel werk uit handen

Transfer Multisort Elektronik:
Leds voor sterilisatie met UV-C-licht

Vacatures

Siemens Nederlands N.V.
Lead Engineer Electrical 
Meer informatie

Bedrijf in beeld

Bent u voldoende vertrouwd met PCB-ontwerp?

AVE Added Value Electronics

Nieuwsbrief

Ontvang wekelijks het laatste nieuws uit uw vakgebied. Meld u hier aan voor de gratis nieuwsbrief. U wordt dan ook op de hoogte gehouden van het verschijnen van de nieuwe
e-zines.

Corona-crisis

Ondernemersinformatie over de Corona-crisis
Speciaal voor ondernemers, bedrijven en zzp'ers is er specifieke informatie omtrent de Corona-crisis te vinden (over o.a. de verschillende pakketten aan noodmaatregelen die het kabinet getroffen heeft).
Websites met meer informatie: 

• Rijksoverheid
• FHI
• Brainport Eindhoven
• Kamer van Koophandel
• Coronavirus en internationaal ondernemen
• Belastingdienst
• mkb
• kvk
• vng
• vno-ncw
• Rijksdienst voor Ondernemend Nederland
• FEDA
• Koninklijke Metaalunie

Agenda

Klik hier voor de complete agenda.