Войти

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

1668
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
  • 05.11 02:12
  • 1
Три конфликта без видимого конца. Пора искать новые дипломатические подходы (Forbes, США)
  • 04.11 17:42
  • 0
«Прогулка» по коридору
  • 04.11 13:51
  • 5
Российский «ответ Starlink» потерял новый спутник
  • 04.11 09:29
  • 1
«Теперь у России новый эшелон ПВО»: Як-130М способен проводить сетевые операции
  • 04.11 02:00
  • 2
Падение всего одной страны приведет к Третьей мировой, и это будет "чудовищно", считает историк (Daily Express, Великобритания)
  • 04.11 00:10
  • 1
Дзермант: «У Киева нет шансов выстоять в конфликте»
  • 03.11 19:36
  • 1
«Космическая связь» выйдет на «абсолютный баланс»
  • 03.11 17:40
  • 2
Мир на Украине: пять факторов, от которых зависит успех переговоров (Politico, США)
  • 03.11 15:41
  • 2
Под шум боя: как ВМФ России пополнился новым подводным оружием
  • 03.11 13:28
  • 1
Фон дер Ляйен сообщила о присоединении Канады к кредиту Украине на 90 млрд. евро
  • 03.11 13:25
  • 1
Российский дрон нового поколения ушел от 16 перехватчиков ВСУ
  • 03.11 13:21
  • 1
Уведомление о планируемой поставке Украине 500 зенитных управляемых ракет PAC-3 MSE
  • 02.11 19:57
  • 3
«Борьба с многоголовым змеем». Почему интенсивность ударов ВСУ не снижается
  • 02.11 07:13
  • 1
Як-130М встроили в единую боевую сеть, рассказали в "Ростехе"
  • 02.11 05:50
  • 1
"Мы готовы к войне": Путин предупреждает об эскалации на Балтике (Die Welt, Германия)