Februari 2022
Veelbelovend onderzoek: siliciumlaser integreert optimaal met fotonische chips
Fotonische chips werken met lichtdeeltjes in plaats van elektronen. Dit levert onderscheidende voordelen op ten aanzien van snelheid, hoeveelheid data en warmteontwikkeling. Hoewel op wetenschappelijk niveau al interessante resultaten zijn geboekt, is het niet eenvoudig om deze onderzoeksresultaten op te schalen en succesvol in de markt te zetten. Om die reden is in een samenwerkingsverband van verschillende partijen het PITC opgericht; een toegepast R&D-centrum dat de ontwikkeling van fotonische chiptechnologie richting industrie en toepassingen versnelt.
Traditioneel werken chips met elektronen die data overdragen via kopergeleiders. Een indertijd revolutionaire uitvinding, die echter in de huidige tijd tegen zijn (fysieke) grenzen aanloopt. De hoeveelheden data die gelijktijdig moeten worden verwerkt in bijvoorbeeld zelfrijdende voertuigen, innovaties in de zorg en data- en telecommunicatie, zijn inmiddels dermate groot, dat dit met elektronen niet meer mogelijk is. Bij de verplaatsing van elektronen door koperen geleiders is er namelijk altijd sprake van weerstand, wat gepaard gaat met warmteontwikkeling. Hoe meer elektronen in een bepaald tijdsbestek moeten worden verplaatst, hoe groter de warmteontwikkeling en hiermee de verstoring van het signaal. Theoretisch is dit probleem te ondervangen door dikkere kabels toe te passen, maar dit gaat weer gepaard met praktisch onmogelijk grote hoeveelheden koper, inclusief gewicht en kosten.
Licht weegt niets
Een veelbelovend alternatief voor elektronen is het gebruik van licht als datadrager. Lichtdeeltjes, ofwel fotonen, hebben immers geen massa en geen lading, waardoor zij ook geen weerstand ondervinden in bijvoorbeeld de glasvezel waar zij zich door bewegen. Daarbij heeft licht bepaalde eigenschappen waardoor een lichtdeeltje veel meer informatie gelijktijdig kan overdragen dan elektronen. Hiermee is het een ‘ideale’ oplossing om de overdracht van gegevens binnen en tussen chips te versnellen. Tenminste zolang dit gecontroleerd mogelijk is.
Onder andere de TU Eindhoven investeert in de ontwikkeling van technologieën die de zogenaamde fotonische chips – en hiermee een gecontroleerde overdracht van data met licht – mogelijk maken. Maar ook in dit geval blijft het lastig om academische resultaten te vertalen naar de eindgebruiker. Zelfs voor een universiteit die bekend staat om haar nauwe samenwerking met de industrie. Om deze stap een ‘zetje’ te geven is het Photonic Integration Technology Center (PITC) opgericht (kader 1).
Dr. Sylwester Latkowski, TU/e-onderzoeker en een van de wetenschappelijke directeuren van het PITC: ‘Dit R&D-centrum gaat een brug slaan tussen wetenschap en industrie om zo fotonische chips op de markt te kunnen introduceren. Deze brug is noodzakelijk, aangezien de weg van wetenschap naar de markt een echte ‘bottleneck’ is waar het gaat om het volwassen worden van de technologie. Als onderzoekers werken we aan een geavanceerd prototype, maar de industrie heeft niet de middelen om daarmee verder te gaan.’
PITC
Het Photonic Integration Technology Center (PITC) is een samenwerking tussen TU Eindhoven, Universiteit Twente, TNO en PhotonDelta, dat halverwege vorig jaar is geopend. Het is een R&D-centrum gericht op het versnellen van de ontwikkeling van geïntegreerde fotonica-technologie. Naast de partners wordt het centrum mede mogelijk gemaakt door Brainport Development, het Ministerie van Economische Zaken en Klimaat, de regionale groeifondsen BOM en OostNL en de provincies Noord-Brabant, Overijssel en Gelderland. Fysiek is de organisatie gehuisvest op het terrein van de Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit Twente.
Fotonische chips hebben de toekomst.
R&D centrum
Het PITC laat zich inspireren door IMEC, de R&D-hub voor nano- en digitale technologieën voor de halfgeleiderelektronica-industrie. Deze Vlaamse organisatie bestaat al 35 jaar en bouwt haar succesvolle sleutelrol in deze sector op basis van drie ‘troeven’:
- een geavanceerde infrastructuur met een 300 mm-clean-room voor onderzoek naar computerchips die twee generaties voorlopen op de huidige standaard,
- een team van meer dan 5.000 knappe koppen uit meer dan 95 landen,
- een netwerk van meer dan 600 globale partners uit de academische en bedrijfswereld.
Latkowski: ‘Onder andere bij IMEC zie je echt hoeveel waarde het heeft om een groot centrum voor onderzoek en ontwikkeling in de keten te hebben. Maar tevens dat zo’n overkoepelend centrum prima naast de gevestigde instituten, startups, bedrijven, grote industrieën en universiteiten kan bestaan.’
Dr.ir. Jan-Laurens van der Steen van TNO: ‘Het PITC biedt ruimte om fotonica-technologie te onderzoeken. Het fungeert ook als accelerator voor bedrijven die hierin grote potentie zien, maar niet over de faciliteiten, kennis of netwerken beschikken om gedegen onderzoek te doen. Het PITC staat open voor partners die al oplossingen ontwikkelen of interesse hebben in de ontwikkeling van specifieke technologie, maar kan wellicht het meest betekenen voor organisaties die kosten en risico’s van onderzoek willen delen in precompetitieve programma’s.’
In navolging van IMEC is PITC er dan ook op gericht om fotonische technologieën te industrialiseren, partnerschappen aan te gaan, het fotonica-ecosysteem te onderhouden en dit te koppelen aan het wereldwijde klantenveld. Dit is onder meer mogelijk door klanten in een vroeg stadium toegang te geven tot kennis en technologie, waarbij de kosten en risico’s die gepaard gaan met de ontwikkeling worden gedeeld. Daarbij worden de gezamenlijk ontwikkelde innovaties uitgebreid getest op betrouwbaarheid en stabiliteit, zodanig dat de weg richting uiteindelijk (grootschalige) productie maximaal wordt geëffend.
De concrete activiteiten van PITC zijn:
- technologie ontwikkelen in gezamenlijke innovatieprogramma’s,
- zorgen voor een soepele overgang naar uiteindelijke productie en commercialisering,
- toegang verschaffen tot hightech infrastructuur en faciliteiten,
- ondersteunen van talentontwikkeling voor bekwame vakmensen.
‘Het PITC biedt ruimte om fotonica-technologie te onderzoeken en fungeert ook als accelerator voor bedrijven’
Vanaf de start
Uiteraard begint PITC niet bij ‘nul’. Het is een logisch gevolg van alle onderzoeken die zich bij de wetenschappelijke organisaties afzonderlijk van elkaar hebben voltrokken en nu worden samengebracht. Simpelweg om elkaar te versterken en de ontwikkeling van fotonische chips te versnellen.
TNO levert bijvoorbeeld kennis van fotonica, optica en expertise in system engineering om toepassingsvereisten te vertalen naar goede technologieoplossingen. Zo werkt het onderzoeksinstituut aan het integreren van fotonica en kan het via het PITC de ontwikkeling ervan versnellen. Experts van de TU Eindhoven en de Universiteit Twente dragen bij met hun fundamentele kennis van de belangrijkste fotonica technologieplatforms – indiumfosfide (InP) en siliciumnitride (SiN). Het overheidsgefinancierde consortium PhotonDelta levert financiële middelen om technologische ontwikkeling te stimuleren en de industrie te betrekken. Ook werkt het PITC samen met het mede door TNO opgerichte innovatiecentrum Chip Integration Technology Center (CITC).
Van der Steen: ‘Door de enorme partnernetwerken wordt het hele fotonica-ecosysteem versterkt. Op het vlak van geïntegreerde fotonica zijn er bijvoorbeeld uiteenlopende platforms en oplossingen beschikbaar. Een groot voordeel van het PITC is dat de industrie zo kan onderzoeken welk platform het beste voldoet aan hun behoeften en het meeste voordeel oplevert. Het PITC wil zelfs onderzoeken of platforms kunnen worden samengevoegd tot één hybride geïntegreerde oplossing.’
Latkowski vervolgt: ‘Gelukkig is ons werk geen kwestie van gissen. We weten precies wat we moeten doen, wat de vervolgstappen zijn en hoe we die moeten aanpakken. De bandbreedte, het energiegebruik, de prijs en het tijdsbestek. Wat dat betreft onderscheidt het onderzoekscentrum zich sterk van de academische wereld. We richten ons niet op papers of het begeleiden van promovendi, maar leggen de focus op de vraag vanuit de industrie: wát zoekt de samenleving om de volgende generatie producten en toepassingen te realiseren, en daarnaast: wanneer zijn deze producten gewenst.’
‘Dit betekent dat we ons op een wezenlijk andere schaal moeten richten dan we als wetenschappelijk onderzoekers gewend zijn. Succes wordt bijvoorbeeld op een heel andere manier gedefinieerd en vereist een geheel nieuwe manier van denken. Waar duizenden chips voor academici en sommige bedrijven waarschijnlijk een aanzienlijk aantal is, zal de industrie hier om lachen. Veel te klein. Híer wordt succes pas in de mond genomen wanneer het gaat om de productie van miljoenen chips per maand.’
Elham Fadaly (l) en Alain Dijkstra werken aan een optische opstelling om het uitgezonden licht te meten.
Veelbelovend onderzoek
Een van de onderzoeken die al langer loopt en ‘rijp’ is om binnen PITC te worden opgepakt, houdt verband met het materiaal waarvan de toekomstige fotonische chips kunnen worden gemaakt. Tot nu toe komen silicium en indiumfosfide hiervoor in aanmerking. Silicium is het materiaal dat gebruikt wordt voor de productie van klassieke elektronische chips. Wanneer het ook mogelijk is om fotonische chips van silicium te maken, dan zouden deze goed en relatief eenvoudig zijn te integreren met de fabricageprocessen die op dit moment worden gebruikt voor de productie van elektronica.
‘Belangrijk’, weet Latkowski, ‘elektronische chips en verschillende vormen van fotonische chips zullen de komende vijf tot tien jaar namelijk naast elkaar worden gebruikt. Dit noemen we hybridisatie en combineert in deze gevallen ‘best of both worlds’.’
Tot nu toe is dit nog niet mogelijk, maar de doorbraak van TU/e-onderzoeker Erik Bakkers biedt hoop, doordat hij er met zijn team in is geslaagd siliciumchips te maken die licht uitstralen. De ontwikkeling van de benodigde laser voor fotonische chips is hiermee een kwestie van tijd.
Indiumfosfide (InP) is een materiaal waar onder meer TU/e-onderzoeker Kevin Williams en zijn team aan werken. Dit materiaal kan zelf licht opwekken, moduleren en versterken, maar kan nog geen gebruik maken van een zeer grootschalige infrastructuur voor productie. Hierdoor liggen commerciële toepassingen nog niet binnen het directe bereik. Chips op basis van siliciumnitride (Si3N4) worden onder meer op de Universiteit Twente ontwikkeld.
Een van de meest in het oog springende toekomstige toepassingen zijn zelfrijdende auto’s
Toepassingen
Zoals opgemerkt zijn fotonische chips onder meer van belang voor toepassingen waarin veel data gelijktijdig moeten worden verwerkt en waar snelheid en gewicht cruciaal zijn voor een succesvolle inzet. Een van de meest in het oog springende toekomstige toepassingen zijn zelfrijdende auto’s. Fotonische componenten zijn hier al in gebruik om de gegevens van de camera’s en LIDAR-modules te verwerken. De LIDAR-modules zijn verantwoordelijk voor de volledige bewaking van de omgeving en leveren de data om het voertuig automatisch te laten accelereren en remmen.
Latkowski: ‘Eén LIDAR-sensor van bijvoorbeeld een autonome Google-auto kost echter 60.000 dollar. En aangezien een zelfrijdende auto er minimaal zes nodig heeft om de omgeving voldoende gedetailleerd te kunnen ‘bekijken’ en geen fouten te maken, kun je je iets voorstellen bij de commerciële haalbaarheid. De auto-industrie heeft berekend dat de fotonische componenten maximaal 50 dollar mogen kosten om een kosteneffectieve oplossing voor de automarkt te zijn.’‘Geïntegreerde fotonica kan hier een gamechanger zijn. Het biedt veel voordelen ten opzichte van op discrete componenten gebaseerde fotonische systemen, in termen van grootte, stabiliteit, prestaties, betrouwbaarheid en kosten. Als we in een volgende stap nu eens eerst kunnen komen tot een chip waarin fotonica en elektronica zijn gecombineerd, dan zijn we op de goede weg naar een volledige fotonica chip. Als we tenminste ook in staat zijn de productiekosten verder te verlagen.’
Naast de veelbelovende resultaten met fotonische systemen zijn er nieuwe ontwikkelingen in bijvoorbeeld materiaalkunde en kwantumtechnologie, die in combinatie met fotonica tot geheel nieuwe toepassingen zullen leiden, zoals in medische toepassingen.
De Metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), deze machine werd gebruikt om de nanodraden te laten groeien met zeshoekige silicium-germanium schelpen.
Stralend silicium
Het uitstralen van licht uit silicium is al tientallen jaren de ‘heilige graal’ in de micro-elektronica-industrie. Een eerste stap in deze richting is gezet door onderzoekers van de TU Eindhoven, die een legering ontwikkelden met silicium die licht kan uitstralen. Dit is onder meer belangrijk omdat silicium veel goedkoper is dan de complexere halfgeleiders van galliumarside en indiumfosfide, waarvan al eerder bekend was dat zij licht kunnen uitstralen. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Het team gaat nu beginnen met het maken van een siliciumlaser die in de huidige chips wordt geïntegreerd.
Hoofdonderzoeker Erik Bakkers: ‘Om licht in chips te gebruiken heb je een lichtbron nodig; een geïntegreerde laser. In ons onderzoek – een samenwerking tussen de TU Eindhoven en onderzoekers van de universiteiten van Jena, Linz en München – is het gelukt silicium en germanium in een hexagonale structuur onder te brengen die licht kan uitstralen. Het is een doorbraak die gebaseerd is op vijftig jaar werk.’
Hexagonale structuur
De uiteindelijke oplossing zit in de aard van de zogeheten ‘band gap’ van een halfgeleider. Wanneer een elektron ‘daalt’ van de geleidingsband naar de valentieband, zendt een halfgeleider een foton uit: licht. Maar als de geleidingsband en de valentieband ten opzichte van elkaar verschoven zijn, wat een indirecte ‘band gap’ wordt genoemd, kunnen er geen fotonen worden uitgezonden. Dit is aan de orde bij silicium.
Bakkers: ‘Een vijftig jaar oude theorie toonde echter aan dat silicium, gelegeerd met germanium, gevormd in een hexagonale structuur, een directe bandafstand heeft en daarom wel mogelijk licht kan uitstralen.’
Het vormgeven van silicium in een hexagonale structuur is echter niet eenvoudig. Omdat Bakkers en zijn team de techniek van het kweken van nanodraden beheersen, konden ze in 2015 puur hexagonaal silicium maken. Dit deden zij door eerst nanodraden met een hexagonale kristalstructuur te kweken die gemaakt zijn van een ander materiaal. Daarna groeiden ze een silicium-germanium schaal op deze sjabloon. Het lukte in eerste instantie niet om deze structuur licht te laten uitstralen. Dit is nu wel gelukt door de kwaliteit van de zeshoekige silicium-germanium schelpen te verhogen, door het aantal onzuiverheden en kristaldefecten te verminderen.
Bakkers: ‘Experimenten tonen aan dat het prikkelen van de nanodraad met een laser leidt tot een efficiënte lichtuitstraling. We zien lichtemissies op exact de energieniveaus die werden voorspeld. De frequentie verschuift wanneer we germanium toevoegen, wat ons in staat stelt om de directe bandafstand in te stellen van 2 tot 3,5 micrometer. Dit is belangrijk omdat je verschillende lichtfrequenties nodig hebt om tegelijkertijd verschillende signalen te verzenden via één en dezelfde optische vezel. De siliciumlaser maken is nu alleen nog een kwestie van tijd.’
Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: Florian Lemaitre (Mesa+), Sicco van Grieken (SURF), Nando Harmsen (TU/e)