Het betekent een veelbelovend alternatief voor onze huidige oververhitte elektronische chips.

Elk jaar opnieuw gebruiken én produceren we meer data. Maar lang kunnen we op de huidige voet niet meer doorgaan. Dat komt omdat onze huidige technologie is gebaseerd op elektronische chips. En die raken snel oververhit. Als we elk jaar meer gegevens willen blijven overdragen, hebben we een nieuwe techniek nodig die geen warmte produceert. Silicium dat licht uitzendt geldt daarbij al tientallen jaren als een veelbelovend, maar ongrijpbaar doel. Tot nu.

Weerstand
Dat onderzoekers al zolang naar een alternatief zoeken, is niet zo gek. De huidige elektronische chips schieten namelijk te kort. De beperkende factor is zoals gezegd warmte. Deze hitte komt vrij als gevolg van de weerstand die elektronen ervaren als ze door de koperen leidingen reizen die de vele transistors op een chip met elkaar verbinden. En dus is het met het oog op de toekomst niet zo vreemd dat wetenschappers verder kijken. Daarbij komen ze uit bij fotonica; een techniek die gebruik maakt van fotonen (lichtdeeltjes) om data over te brengen. En dat heeft een aantal voordelen. In tegenstelling tot elektronen ervaren fotonen namelijk geen weerstand. Omdat ze geen massa of lading hebben, verstrooien ze minder in het materiaal waar ze doorheen reizen. En bovendien produceren geen warmte, waardoor het energieverbruik omlaag gaat.


Silicium
Het klinkt veelbelovend. Maar toch zit er een kink in de kabel. Als je namelijk licht in chips wilt gebruiken, heb je een lichtbron nodig: een geïntegreerde laser. Op dit moment zijn computerchips echter gemaakt van silicium dat helemaal geen licht kan uitzenden. Wetenschappers hebben daarom hun aandacht verschoven naar complexere halfgeleiders – zoals galliumarsenide en indiumfosfide – die wel goed licht kunnen uitzenden. Deze zijn echter een stuk duurder dan silicium en zijn moeilijk te integreren in bestaande silicium-microchips. Ideaal zou dus silicium zijn dat wel licht kan uitzenden. En dat is precies waar de Eindhovense onderzoekers nu in geslaagd zijn.

Na vijftig jaar puzzelen is het gelukt om silicium te ontwikkelen dat licht uitstraalt

Doorbraak
Het is een enorme doorbraak. Want na vijftig jaar puzzelen is het nu eindelijk gelukt om silicium te ontwikkelen dat licht uitstraalt. “Het is echt heel bijzonder,” vertelt onderzoeksleider Erik Bakkers aan Scientias.nl. “Hier zijn heel veel mensen – inclusief universiteiten en de industrie – al heel lang naar op zoek, maar tot op heden is het nooit gelukt.”

Hoe?
Om silicium ‘lichtgevend’ te maken, combineerden de onderzoekers silicium en germanium in een zeshoekig kristalstructuur. “De crux zit hem in de aard van de zogenaamde bandkloof van een halfgeleider,” legt Bakkers uit. “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.”


Zeshoekig kristalstructuur
Hoewel het vormen van silicium in een zeshoekige kristalstructuur verre van eenvoudig is, kreeg het onderzoeksteam dit vijf jaar geleden toch voor elkaar. Ze deden dit door eerst nanodraden te groeien van een ander materiaal met een hexagonale kristalstructuur. Vervolgens lieten ze een ‘schil’ van silicium-germanium op dit sjabloon groeien. Hierdoor werden de siliciumatomen gedwongen om ook diezelfde zeshoekige kristalstructuur aan te houden. Een beste prestatie, al kon dit zeshoekige silicium op dat moment nog geen licht uitstralen.

Wat zijn nanodraden?
Nanodraden zijn dunne siliciumdraden van ongeveer een honderdste van de breedte van een mensenhaar. Deze kunnen worden gebruikt als elektronische componenten, maar bijvoorbeeld ook als sensoren en zonnecellen.

Nanodraden met een zeshoekige schil van silicium en germanium. Afbeelding: TU Eindhoven

Dat doet het nu echter wel. De onderzoekers kregen dit voor elkaar door de kwaliteit van het zeshoekige silicium-germanium te verbeteren door het aantal onzuiverheden en kristalgebreken terug te schroeven. Door vervolgens de nanodraad met een laser te beschijnen, konden ze de efficiëntie van het nieuwe materiaal meten. En de resultaten zijn veelbelovend. De experimenten wijzen namelijk uit dat het materiaal zeer efficiënt licht uitstraalt. “Het is echt verrassend hoeveel licht er uit het materiaal komt zetten; hoe efficiënt het is,” zegt Bakkers. Deze doorbraak is dan ook heel belangrijk binnen de micro-elektronica-industrie. “Het kan een revolutie teweegbrengen.”

Sneller dan ooit
Dat de uitvinding een revolutie voor de computerindustrie betekent, heeft ermee te maken dat de communicatie in de chips én tussen de chips nu sneller wordt dan ooit. “We schatten een factor 1000 sneller,” zegt Bakkers. “Daarnaast gaat het overbrengen van informatie ook veel minder energie kosten. Op dit moment gebruiken datacentra 5-10% van alle beschikbare energie. Het is dus belangrijk om dat terug te brengen. De snelheid is belangrijk voor grote berekeningen, zoals voor het klimaat of het doorrekenen van medicijnen, maar gamers zullen dit ook fijn vinden.” Volgens de onderzoeker zullen grote datacentra het meest profiteren van de nieuwe uitvinding. “Daar valt de meeste winst te behalen. Daarna wordt het ook toegepast op kleinere schaal.”

Fotonische chips brengen 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. Maar zo ver zijn we nu nog niet. Een volgende stap is eerst om een laser te maken op basis van silicium. “Ik denk dat we dat dit jaar nog kunnen realiseren, mits de coronacrisis niet al te lang duurt,” zegt Bakkers. “Daarna gaan we kijken hoe we dit kunnen integreren in standaard silicium-technologie. Dat is erg belangrijk om het op te kunnen schalen.” Volgens de onderzoeker moeten we nog wel even geduld hebben voordat deze nieuwe uitvinding daadwerkelijk op de markt verschijnt. “Dat zal nog zo’n vijf tot tien jaar duren, omdat het nog uitontwikkeld moet worden,” legt hij uit. “We hebben nu aangetoond dat het mogelijk is om silicium licht te laten uitzenden. Nu moet alles worden geoptimaliseerd.”