Silicijeva zlitina, ki seva svetlobo

Nizozemski raziskovalci so naposled uspeli napraviti zlitino silicija in germanija, ki seva svetlobo. To odpira vrata do silicijevih laserskih diod za optične povezave, ki bi jih bilo mogoče zgraditi med samim nastankom procesorjev.

Medtem ko se gigantske količine podatkov po internetu prevažajo po optičnih vlaknih, pa v samih računalniških čipih ničle in enice če vedno potujejo po bakrenih žičkah. In to kljub temu, da je takšen način počasnejši in energijsko potratnejši od svetlobnega. Razlog je v temeljnih značilnostih polprevodniškega silicija, na katerem slonijo integrirana vezja. Po eni strani je ta material poceni in ga je mogoče enostavno obdelovati. Po drugi pa spada med tako imenovane polprevodnike z indirektno energijsko vrzeljo. Njegov prepovedani pas v energijskih stanjih, ki ga mora elektron prečiti, da pride iz valenčnega v prevodni pas, skriva dodatne kaprice: najnižja energijska vrednost prevodnega pasu je zamaknjena glede na najvišjo vrednost valenčnega. Posledično elektron ne more samostojno "pasti" iz enega pasu v drugega, temveč potrebuje dodatno spremembo gibalne količine, na primer z odbojem od atoma silicija, čemur pravimo posredni prehod. Pri tem se običajno sprosti toplota in ne svetloba. V nasprotju s tem je v polprevodnikih z direktno energijsko vrzeljo mogoč mnogo enostavnejši neposredni prehod, pri katerem se izsevajo fotoni. Zaradi tega to drugo skupino, kamor spada denimo galijev arzenid, uporabljamo za izdelavo diod in sončnih celic, medtem ko silicij za to ni primeren.

Če želimo imeti v čipu svetlobne vire, jih je potemtakem potrebno napraviti ločeno in jih vanj vgraditi nakdnadno, kar seveda ni optimalno. Iskanje načinov, kako bi silicij pripravili do sevanja svetlobe, zato znanstvenike okupira že desetletja. Pred petdesetimi leti so nastali teoretični temelji, ki opisujejo heksagonalno kristalno strukturo, v kateri bi silicij dobil direktno energijsko vrzel (njegova običajna struktura je kubična), toda prvi tak kristal so napravili šele v preteklem desetletju. Raziskovalci na Tehniški univerzi v Eindhovnu so se do materiala dokopali tako, da so kristal zlitine silicija in germanija rasli na nanožičkah galijevega arzenida, ki mu je vsilil svojo heksagonalno strukturo. Sprva, vsej teoriji navkljub, zadeva ni želela svetiti. Znanstveniki so za to okrivili defekte in nečistoče ter se povezali z nemškimi in avstrijskimi kolegi, da so proces rasti kristala dodobra izpilili. Po petih letih garanja so sedaj naposled iz silicija iztisnili prvo svetlobo.

Oziroma, natančneje, iz zlitine, v kateri je kar 65% germanija. Z igračkanjem z deleži obeh elementov je mogoče spreminjati valovno dolžino, največjo jakost pa trenutno beležijo pri 1800 nanometrih, kar je relativno blizu 1550 nm, ki se danes uporablja v optičnih komunikacijah. Ni še povsem jasno, koliko si je tozadevno mogoče pomagati z raztegovanjem kristala, kjer se verjetno še skrivajo rezerve. Jakosti so trenutno še prenizke za praktično uporabo in ta hip še ne gre za pravi laserski vir, kljub temu pa avtorji optimistično menijo, da bi jim lahko laser uspelo napraviti že do konca letošnjega leta. Ko/če se to zgodi, bo to eden prelomnejših inženirskih podvigov ne le v optoelektroniki, temveč znanosti materialov nasploh. Seveda pa nas od tam pa do procesorjev z optičnimi vlakni namesto bakra vseeno loči še desetletje.