第一道鍺雷射讓我們更靠近「光學電腦」

First germanium laser brings us closer to 'optical computers'
http://www.physorg.com/news184493799.html

By Larry Hardesty, February 4, 2010

(PhysOrg.com) -- MIT 研究者首度證明以鍺（germanium）造成的雷射，其所產生的光波長適合用於光學通訊。它也是第一款能在室溫下運作的鍺雷射。不像那些用於雷射當中的傳統材料，鍺很容易併入現有的矽晶片製程中。所以這項結果證明在朝著一種以光而非電子移動資料 -- 也許甚至能進行運算 -- 的電腦邁進上，相當重要的一步。但更基本地，研究者們已證明，與先前的看法相反，一種稱為「間接能隙（indirect-band-gap）」半導體的材料，也能產生實用的雷射。

當晶片的計算能力增加，它們需要高頻寬連接，將資料送至記憶體。但傳統的電子連接很快將變得不切實際，因為它們在以更高速率傳送資料上需耗費太多電力。以雷射傳輸資料 -- 那些將光集中成狹窄、強大光束的裝置 -- 更加節能，但它需要一種便宜的方法將光與電元件整合在矽晶片上。

晶片組裝是一種煞費苦心的過程，其中，不同的材料層被沈積在矽晶圓上，而圖案（patterns）則蝕刻其上。要在這種製程上插入一種新材料很困難：那得要在化學上能夠與上、下層鍵結，且將它沈積時所需要的溫度以及化學環境必須適合其它材料。

這些用於今日雷射的材料，諸如砷化鎵（gallium arsenide）「全都難以契合」，Tremont Miao 表示，麻州 Analog Devices Semiconductor 的行銷經理。"它們全都是充滿挑戰性的整合。" 結果就是，雷射得要分別製造，接著嫁接（grafted）到晶片上，那比直接在矽上面建造更加昂貴、耗時。此外，光是砷化鎵就比矽要貴多了。

然而，將鍺整合到製程中，則是一件幾乎所有主要晶片製造廠都已經在做的事，因為添加鍺能增加矽晶片的速度。"我們以及其他一大票人都知道該怎麼做，" Miao 表示。


未傳送的能量（Unchanneled energies）

砷化鎵、矽與鍺都是半導體的例子，這類材料幾為現代電子學所有。以半導體製成的雷射將電子的能量（荷電的粒子）轉換成光子（光的粒子）。半導體可分為二種：具有直接能隙（direct band gaps）者，如砷化鎵，以及那些間接能隙（indirect band gaps）的，如鍺與矽。根據 Jurgen Michel（Electronic Materials Research Group 的首席研究助理與鍺雷射計畫的主要研究者）表示："在科學領域中有一種意見：間接能隙半導體不可能雷射" -- 意思是產生雷射光。"那就是課堂上所教的東西，" Lionel Kimerling 表示，Thomas Lord 材料科學與工程教授，他領導這個小組。

在半導體結晶體中，一個受激電子（excited electron） -- 獲得額外能量的電子 -- 將脫離（break free）並進入所謂的傳導帶（conduction band），在此它能自由地繞著晶體運動。但事實上，在傳導帶中的電子可能是二種狀態中的其中一種。如果它是在第一種狀態，當它掉出傳導帶時，它會以光子釋出額外的能量。如果它是在第二種狀態，它會以其他方式釋出能量，例如：熱。

在直接能隙材料中，第一態 -- 光子發射態（photon-emitting state）--是一種比第二態更「低能」的狀態；在間接能隙材料中，又是另一回事了。受激電子很自然地會佔據它所能找到的低能量狀態。所以在直接能隙材料中，受激電子傾向進入光激發態，但在間接能隙材料中，它們不會。


橋接隔閡（Bridging the gap）

在一篇即將刊載於 Optics Letters 期刊的論文中，Kimerling、Michel 以及小組中其他三位研究者 -- 博士後 Jifeng Liu，本論文第一作者、以及畢業生 Xiaochen Sun 與 Rodolfo Camacho-Aguilera -- 描述如何誘哄受激的鍺電子進入能量更高的光子發射態。

他們第一種策略是一種技術，在晶片製造中很常見，叫做「摻雜（doping）」，在其中其他元素的原子被添加到半導體晶體中。該小組將它的鍺摻以磷（phosphorous），其外層擁有五個電子。鍺的外面只有四個電子，"所以每個磷給了我們一個額外的電子，" Kimerling 說。"這額外的電子會填滿傳導帶中的低能態，導致受激電子 -- 有效地 -- 溢出進入高能的、光子發射態。"

根據該小組的理論性研究，磷摻雜 "在每立方公分中有 10^20 個鍺原子的效果最好，" Kimerling 解釋。到目前為止，該小組已開發出一種技術，能在每粒方公分的鍺中添加 10^19 個磷原子。"而且我們已開始看見（鍺）發出雷射，" Kimerling 說。

第二種策略是降低二種傳導帶之間的能差（energy difference），故受激電子更有可能溢出光子發射態。研究者們藉由採用晶片產業中另一種常見技術辦到這件事：他們使鍺直接在一層矽上生長，並藉此將鍺「繃緊（strained）」-- 即與自然狀態相比，將其原子「撬開（pried）」一點。矽與鍺都在高溫下沈積，但是在冷卻時，矽的收縮程度沒像鍺這麼大。冷卻中的鍺原子會試圖維持它們與矽原子間的排列方式，所以最後它們會比平常分的更開一點。改變鍺原子間的角度與鍵結長度也會改變將其原子踢到傳導帶所需要的能量。"在矽上生長鍺的能力是這個小組的一項發現，" Kimerling 說，"控制這些鍺薄膜在矽上張力（strain）的能力也是這個小組的一項發現。"

Miao 表示，"像鍺那樣的高速光學迴路，一般來說，是一樁好姻緣與好結合。所以他們的雷射研究非常、非常有前途。" Miao 指出鍺雷射在成為光學通訊系統的實用光源之前，它們需要更節能。"但在另一方面，" 他說，"這前景令人振奮，而且他們光是讓鍺能夠發出雷射就非常令人振奮了。"

※ 相關報導：

＊ First germanium laser
http://web.mit.edu/newsoffice/2010/first-germanium-laser.html
New results from MIT's Electronic Materials Research Group bring us closer to computers that use light instead of electricity to move data.

＊ A Ge-on-Si laser operating at room temperature (PDF 檔)
http://www.opticsinfobase.org/ol/upcoming_pdf.cfm?id=121712

Jifeng Liu, Xiaochen Sun, Rodolfo Camacho-Aguilera,
Lionel Kimerling, and Jurgen Michel
Optics Letters, Posted: 26 January 2010
Doc. ID 121712

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