ENGINEERINGNER.BE - Elk jaar gebruiken en produceren we steeds 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.
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.
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.
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.
Een laser maken is nu een kwestie van tijd, denkt Bakkers. 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.
