Войти

Ученые «подружили» кремний со светом, чтобы использовать его в микроэлектронике следующего поколения

1382
0
+1
Собственная мода кремниевого фотонно-кристаллического слоя.
Собственная мода кремниевого фотонно-кристаллического слоя.
Источник изображения: Сергей Дьяков, Сергей Тиходеев, Николай Гиппиус

Ученые Сколтеха и их коллеги из Института физики микроструктур РАН, Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, Университета ИТМО, МГУ им. М.В. Ломоносова и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН придумали способ увеличить яркость фотолюминесценции в кремнии, основном материале современной электроники, несмотря на то, что он, к сожалению, плохо справляется с задачами излучения и поглощения фотонов. Новое открытие ученых может быть использовано для создания более эффективных фотонных интегральных схем. Результаты этой работы опубликованы в журнале Laser and Photonics Reviews.

В результате почти 80-летнего периода «естественного отбора» в полупроводниковой технологии кремний стал основным материалом для микросхем. Большинство современных цифровых микросхем изготавливается по технологии КМОП – комплементарная металл-оксид-полупроводник структура (CMOS – complementary metal-oxide-semiconductor). Однако из-за большой плотности элементов в современных CMOS-схемах основным препятствием для увеличения их производимости стало большое тепловыделение в них.

Один из возможных способов уменьшения тепловыделения – переход от металлических связей между элементами в микросхемах к оптическим: в отличие от электронов в полупроводниках, фотоны способны перемещаться на огромные расстояния в волноводах с минимальными потерями тепла.

Переход на CMOS-совместимые оптоэлектронные интегральные схемы также позволит существенно повысить скорость передачи информации внутри чипа и между отдельными чипами в современных компьютерах, что в свою очередь увеличит скорость работы компьютера. К сожалению, сам по себе кремний слабо взаимодействует со светом: он плохой излучатель и поглотитель фотонов. Поэтому «научить» кремниевые микросхемы эффективно взаимодействовать со светом – чрезвычайно важная задача.



Кремниевый фотонно-кристаллический слой (слева), его собственные моды (по центру) и его спектр излучения (справа). Авторы: Сергей Дьяков, Сергей Тиходеев, Николай Гиппиус

 

Исследователям удалось «научить» кремний эффективно излучать при помощи внедренных в кремниевую структуру германиевых наноточек и изготовленного на его поверхности специально рассчитанного фотонного кристалла. Ученые использовали резонатор на основе связанных состояний в континууме. Сама идея связанных состояний в континууме была заимствована из квантовой механики: эффективное удержание света внутри резонатора происходит благодаря тому, что симметрия электромагнитного поля внутри резонатора не соответствует симметрии электромагнитных волн окружающего пространства.

В качестве источника люминесценции исследователи использовали наноостровки германия, которые можно внедрить в необходимое место на кремниевом чипе. Использование связанных состояний в континууме усилило интенсивность свечения более чем в сто раз. Как отмечают ученые, полученный результат открывает пути для перехода к CMOS-совместимым оптоэлектронным интегральным схемам.

Полученные результаты открывают новые возможности для создания эффективных источников излучения на кремнии, встраиваемых в схемы современной микроэлектроники с оптической обработкой сигнала. В настоящее время существует множество научных коллективов, работающих над задачей создания на базе таких структур светоизлучающих диодов и принципов их сопряжения с другими элементами на оптоэлектронном чипе.

Полный список авторов статьи: Сергей Дьяков, Маргарита Степихова, Андрей Богданов, Алексей Новиков, Дмитрий Юрасов, Михаил Шалеев, Захарий Красильник, Сергей Тиходеев, Николай Гиппиус.

Права на данный материал принадлежат
Материал размещён правообладателем в открытом доступе
  • В новости упоминаются
Хотите оставить комментарий? Зарегистрируйтесь и/или Войдите и общайтесь!
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ
Ежедневная рассылка новостей ВПК на электронный почтовый ящик
  • Разделы новостей
  • Обсуждаемое
    Обновить
  • 12.01 18:12
  • 13311
Без кнута и пряника. Россия лишила Америку привычных рычагов влияния
  • 12.01 17:05
  • 2
Россия получила четыре повода для гордости за свою авиацию
  • 12.01 16:05
  • 40
"Для прорыва островных цепей". Китай дал мощный ответ Пентагону
  • 12.01 15:47
  • 1
Ту-142МК впервые в истории ВМФ дозаправились в воздухе у Северного полюса
  • 12.01 13:38
  • 1
Возможно, оно сработает: российская армия придумала новый нестандартный способ защитить свои танки от атак беспилотников (The Telegraph UK, Великобритания)
  • 12.01 13:26
  • 1
ВМФ создал авиадесантируемый подводный беспилотник для спасения подводников
  • 12.01 08:07
  • 0
Комментарий к "Соединенные Штаты могут захватить российский арсенал оружия в Венесуэле (The National Interest, США)"
  • 12.01 06:15
  • 0
Комментарий к "Великобритания пообещала Украине «Сумерки»"
  • 12.01 03:38
  • 0
Комментарий к "Пустые слова о конфликте на Украине обрекают НАТО на провал (The Times, Великобритания)"
  • 11.01 16:50
  • 2
ВМФ разработал подводный беспилотник в форме торпеды
  • 11.01 15:20
  • 1
США выходят из более 60 международных организаций, в том числе из структур ООН
  • 10.01 22:13
  • 2
О России и Иране - в свете последних событий
  • 10.01 16:43
  • 191
В России запустили производство 20 самолетов Ту-214
  • 10.01 01:36
  • 0
Ответ на "Россия должна ответить силой на захват танкера американцами - Гурулёв"
  • 09.01 21:00
  • 0
Комментарий к "Захват Мадуро Штатами — это удар или возможность для Путина? (Гуаньча, Китай)"