Onderzoek, ontwikkeling en innovatie

Silicium dat licht uitzendt

Computerchips op basis van licht, het zou een revolutie betekenen in de micro-electronica. Elham Fadaly legde de basis voor deze 'heilige graal'. Ze slaagde er namelijk in om silicium licht te laten uitstralen, door het in een nieuwe vorm te dwingen.

Fadaly: "Als we SiGe kunnen dwingen om licht uit te zenden, zou het een ideaal materiaal zijn om elektronische en opto-elektronische functionaliteiten op één chip te verenigen. Daarmee rekken we de grenzen flink op voor apparaten met silicium-chips."

Haar werk werd door Physics World uitgeroepen tot Doorbraak van het Jaar en ze ontving de Nanotechnology Young Researcher runner-up award.  Fadaly promoveerde op 16 april cum laude bij de faculteit Applied Physics.

Silicium is een krachtig materiaal dat ver in ons dagelijks leven is doorgedrongen. Op silicium gebaseerde microchips vormen de basis van bijna elk elektronisch apparaat dat wordt gebruikt in onze huizen, auto’s, slimme gadgets, en zelfs in het menselijk lichaam. Het materiaal is goedkoop en heeft superieure elektronische eigenschappen en een volwassen verwerkingstechnologie.

Maar silicium staat algemeen bekend als optisch gehandicapt. Het is een uiterst inefficiënte ‘lichtemitter’, waardoor het niet kan worden gebruikt in laserapparatuur: de basis van snelle computers en hogesnelheidscommunicatie. Het oplossen van deze heilige graal zou een revolutie teweegbrengen in de computerwereld. Het maakt chips namelijk sneller dan ooit tevoren.

Van kubisch naar zeshoekig
Efficiënte lichtemissie voor optische telecommunicatie vereist een infrarood golflengtegebied van 3,5-1,8 μm. Maar legeringen van silicium-germanium (SiGe) bestaan van nature uit een optisch inactieve kubische structuur. Efficiënte lichtemissie zou mogelijk zijn, voorspelt een theorie, wanneer het silicium in een zeshoekige structuur wordt geforceerd. Maar het is een enorme uitdaging om die hexagonale structuur te bereiken in deze klasse van materialen.

Hexagonale nanodraden als mal
Tijdens haar promotieonderzoek ontwikkelde Fadaly hoogwaardige hexagonale op silicium-gebaseerde legeringen in grote volumes. Deze legeringen bleken in staat om licht efficiënt uit te zenden en hadden uitstekende opto-elektronische eigenschappen. Fadaly: “Ik heb de rangschikking van de atomen van de van natuurlijke kubische silicium-structuur veranderd in de veelbelovende hexagonale. Ik maakte daarvoor hexagonale nanodraad-sjablonen, een soort mal, om de gewenste kristalstructuur over te brengen op SiGe.”

In samenwerking met haar collega’s onderzocht Fadaly de kwaliteit van het nieuwe materiaal met verschillende structurele en optische karakteriseringstechnieken, waarbij de topkwaliteit van het hexagonale silicium werd bevestigd. Fadaly identificeerde een onconventioneel type kristaldefect in het materiaal en wist het vormingsmechanisme ervan te doorgronden. Hierdoor kon ze deze ongewenste defecten voorkomen en kristallen van zeer hoge kwaliteit produceren.

Regelbaar
Maar dat is nog niet alles. Door de precieze samenstelling van de Si/Ge-legering te variëren, kon Elham de uitgezonden golflengte over een groot bereik inregelen en tegelijk de superieure optische eigenschappen behouden.

Erik Bakkers, Elhams promotor, zegt: “De bereikte experimentele bevindingen van Elham Fadaly zijn kwantitatief uitstekend in overeenstemming met theoretische berekeningen. Bovendien is het emissie-rendement van het nieuwe materiaal vergelijkbaar met dat van direct-bandgap groep-III-V halfgeleiders, de huidige state-of-the-art lasermaterialen. Een resultaat dat niemand op voorhand had verwacht. Met dit fantastische werk behoort Elham met gemak tot de top van haar collega-promovendi in de internationale onderzoeksgemeenschap”.

Volgende stap: geïntegreerde laser
Nu de efficiënte lichtemissie in silicium is aangetoond, is een laser de volgende belangrijke mijlpaal. De resultaten van dit werk zouden kunnen leiden tot de ontwikkeling van de eerste op silicium gebaseerde laser of mid-infrarood lichtdetectoren, die beide compatibel zouden zijn met de huidige siliciumtechnologie.

Deze lasers zouden kunnen worden ingezet in verschillende toepassingen, zoals telecommunicatie, LiDAR, een radar met laser voor zelfrijdende auto’s, en chemische sensoren voor medische diagnose of het meten van lucht- en voedselkwaliteit.


Meer nieuws over Onderzoek, ontwikkeling en innovatie