シリコンとゲルマニウムの発光合金を発明！フォトニックチップを作るとコンピューターに革命が起こります!

[モバイルソフトウェア：BoKeYuan] コンピューターが電子ではなく光子を使ってデータを送信すれば、パフォーマンスが向上し、消費電力も少なくなります。科学者たちは現在、コンピューターに革命をもたらすフォトニックチップを得るために、シリコンとゲルマニウムの新しい発光合金の開発に取り組んでいる。光を構成する粒子である光子は、通信ネットワークにおけるデータ伝送において、電子に代わるものとして広く利用されてきました。光信号の高帯域幅は電話システム、テレビ放送、インターネットの驚異的な成長を促進しましたが、光子はまだコンピューターの電子に取って代わっていません。

光を使用してプロセッサ チップとその相互接続部でデータを伝送すると、コンピューターの速度が劇的に向上し (チップ内およびチップ間の通信が 1,000 倍高速化される可能性があります)、実行に必要な電力が削減されます。高度なマイクロプロセッサ チップには数百億個のトランジスタが含まれ、銅製の電気相互接続部は動作時に大量の熱を発生します。光子とは異なり、電子は質量と電荷を持ちます。金属や半導体材料を通過すると、シリコンや金属原子によって散乱され、振動して熱が発生します。そのため、マイクロプロセッサに供給される電力の大部分が無駄になります。

シリコンから光を生み出すという挑戦

エレクトロニクス業界は、シリコンの優れた電子特性と入手しやすさを理由に、コンピューターチップにシリコンを使用する準備を進めています。非常に優れた半導体であり、豊富な元素でもあり、酸化ケイ素と同様にガラスや砂の成分でもあります。しかし、シリコンは結晶構造上、光を扱うのがあまり得意ではありません。たとえば、データ処理のために光子を生成したり、光子の流れを制御したりすることはできません。科学者たちはガリウムヒ素やインジウムリンなどの発光材料を研究してきたが、現在のシリコン技術とうまく統合できないため、コンピューターでの使用は依然として限られている。

光電子チップ

ヨーロッパの科学者たちは、光学的に活性なシリコンとゲルマニウムの新しい合金をネイチャー誌に発表した。 「これは第一歩だ」とオランダのアイントホーフェン工科大学の物理学者、ヨス・ハバーコート氏は語った。 「この材料は光を発するのに非常に適しており、シリコンと互換性があることを実証しました。」次のステップは、電子回路に統合され、光電子チップの光源として使用されるシリコン互換レーザーを開発することです。これは、EU FET プログラムによってサポートされている SILAS プロジェクトの最終目標です。

研究チームはアイントホーフェン大学のエリック・バッカーズ氏が率いており、ドイツのイエナ大学とミュンヘン大学、オーストリアのリンツ大学、英国のオックスフォード大学、スイスのIBM大学の研究者も参加した。レーザーを作成するために、科学者たちはシリコンとゲルマニウムを六角形の構造に組み合わせて光を発することができ、原子が立方体に配列されているシリコンの欠点を克服した。これは困難なプロジェクトであり、六角形のゲルマニウム層にシリコン原子を堆積させることでシリコンに六角形構造をとらせようとする当初の試みは失敗に終わった。

ミュンヘン工科大学のジョナサン・フィンリー氏は次のように説明する。「シリコンを平面六方ゲルマニウム上に成長させると、その立方構造は頑固に変化しません。フィンリー氏は、得られたシリコンサンプルの光学特性を測定することで、このシリコンゲルマニウムの異常な成長を解明することができました。しかし、アイントホーフェンのチームは長年にわたりナノチューブの成長に関する専門知識を培っており、ゲルマニウムの平面では機能しなかったことがナノチューブの曲面では機能する可能性があると推論し、今回は問題が解決しました。」

使用されたのは、六角形構造のガリウムヒ素ナノワイヤです。六角形の幹があり、研究者たちはそのコアの周りに、やはり六角形構造のシリコンシェルを作成しました。研究者らは、ナノチューブに堆積したシリコンとゲルマニウムの量を変化させることで、ゲルマニウムの濃度が65パーセントを超えると六方合金が光を発することができることを発見した。次のステップはレーザー発振の実証、つまりシリコンゲルマニウム合金がどれだけ光を増幅しレーザー光として放射するかを判定し、測定することです。

シリコンゲルマニウムをシリコンベースの電子機器に完全に統合する前に、解決しなければならない未解決の問題がいくつかあります。まず、デバイスを既存のテクノロジーと統合する必要がありますが、これは依然としてハードルとなっています。将来の量子コンピュータでは、低コストのシリコンベースの LED、ファイバーレーザー、光センサー、発光量子ドットなどのアプリケーションが使用されることが予想されます。全体として、電気通信から光通信への移行は、自動運転用のライダーから医療診断やリアルタイムの大気汚染検出用のセンサーまで、多くの分野でイノベーションを推進するでしょう。