来自Peter Grünberg研究所(PGI-9)的科学家们站在用于制备和开发新激光器部件的CVD系统旁边(从左起:sieggrfried Mantl教授、Detlev教授Grützmacher、Stephan Wirths、Nils von den Driesch和Dan Mihai Buca博士。版权:j Forschungszentrum
科学家从j Forschungszentrum和保罗谢勒研究所瑞士已经合作与全球伙伴以建立在硅芯片应用的锗锡（GeSn）半导体激光器。
这种半导体只由主要的IV族元件组成，因此GeSn激光器可以直接应用在硅芯片上。该半导体提供了一种利用光在计算机芯片上传输数据的新方法。与通过铜线传输数据相比，数据传输速度更快，只需要很小一部分的能量。
在现今的计算机技术，将数据传输，发生多个内核之间，并且还存储单元和逻辑元件之间被认为是一个瓶颈。各个板部件之间的数据传输使用的光可以帮助解决这一瓶颈，并且可以提供更节能和更快的数据流，并且还对计算机芯片。“经由铜线信号传输限制了更大和更快的计算机的发展由于热负载和铜导线的有限带宽单独同步电路中的时钟信号使用高达30％的能量 - 能量可通过光学保存传输，”于利希的彼得·格林贝格研究所解释德特勒夫Grützmacher教授，主任。
很长一段时间以来，计算中心和长途电信网络一直在使用光连接。即使在很长的距离上，这些光学连接也允许非常高的带宽。信号通过光纤传输可以同时跨越不同的波长，几乎没有任何损耗。所达到的速度有利于纳米和微电子学。“光学元件的集成已经在许多领域取得了很好的进展。然而，尽管进行了密集的研究，但与芯片制造兼容的激光源尚未实现。”
硅属于元素周期表的第IV族元素。这种材料构成了芯片制造的基础。由砷化镓制成的半导体激光器用于电信系统。这些激光器是由主要的III组或V组元素组成的，而且价格昂贵。这影响了晶体的性质，因此这些激光元件不能直接应用在硅上。必须使用其他方法。它们可以从外部制造，但需要很大的努力。然后元件必须粘在硅片上。一个主要的缺点是这些元件的热膨胀系数与硅的不同。这减少了这些类型的组件的生命周期。
来自Peter Grünberg研究所(PGI-9)的科学家们站在用于制备和开发新激光器部件的CVD系统旁边(从左起:sieggrfried Mantl教授、Detlev教授Grützmacher、Stephan Wirths、Nils von den Driesch和Dan Mihai Buca博士。版权:j Forschungszentrum
由主组IV族元素的半导体可以容易地集成到用于生产过程。然而，主族IV的锗和硅的元素都不是很有效的光源，它们被分类为间接半导体。相较于直接的半导体，它们发出非常少的光，大多为热激发时。这使得全球的研究人员对锗进行研究，使之通过放大的光信号的激光源。
Jülich的Peter Grünberg研究所的研究人员将锗和锡结合在一起，成功地创造了一种“真正的”直接主组IV半导体激光器。
“高锡含量是光学性能的决定性因素。这是第一次，我们能够在不失去光学质量的情况下，将超过10%的锡放入晶格中。
博士生斯蒂芬Wirths
然而，到目前为止，激光的功能仅限于零下183摄氏度的低温。这主要是因为我们使用的测试系统没有进一步优化。
丹Buca博士
Wirths与PGI-9的Siegfried Mantl教授团队合作，将激光直接应用到硅片上。研究人员随后在保罗谢勒研究所测量了这种材料的特性。激光结构是由该研究所的博士生Richard Geiger制作的。“通过这种方式，我们能够证明锗锡化合物可以放大光信号，并产生激光，”来自微纳米技术实验室的汉斯·希克博士报告说。
为示范，研究人员兴奋的激光光。于利希属于丹的Buca博士的研究小组的科学家正试图在电子和光学联系更加紧密。进一步的进展将涉及使用电力用于产生激光光线，有可能不进行冷却。研究人员计划使电泵浦激光器，其具有在室温下的能力的功能。
产生的激光束是肉眼看不见的。GeSn在大约3 μ m波长范围内吸收并发射光。这是中波长和近波长红外线之间的边界。温室气体、生物分子和其他碳化合物在这个边界上表现出强烈的吸收线。因此，用GeSn制作的传感器为这些化合物的检测提供了一种新的方法。
这种新的激光材料可能有益于可能昂贵的新应用。电脑芯片也可能受益。在医疗应用方面，可植入芯片或气体传感器可用于获取血糖水平和其他类似信息。进一步的发展可能会带来便携式、廉价的传感器技术，为天气和气候应用提供实时数据。这种传感器技术可能会集成到智能手机中。
这项研究的结果发表在《自然光子学》杂志上。
参考