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

1214
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
  • 15.05 11:44
  • 8879
Без кнута и пряника. Россия лишила Америку привычных рычагов влияния
  • 15.05 11:44
  • 212
Конкурента российского Су-75 из Южной Кореи впервые представили на выставке
  • 15.05 06:18
  • 8
Российский сверхзвуковой пассажирский самолет — преемник Ту-144 — будет летать со скоростью 2500 км/ч на расстояние свыше 8500 км
  • 15.05 04:53
  • 1
«Карантин» на Балтике – второй фронт альянса
  • 15.05 01:06
  • 0
Ответ на "Россия изменила правила ведения войны. И НАТО пришлось признать поражение (Business Insider, Германия)"
  • 14.05 19:54
  • 0
Ответ-2 на "«Для российских танков это было бы фатально»: по словам ВСУ, Leopard 2 выдержал налёт дронов и подрыв боекомплекта"
  • 14.05 18:30
  • 0
Ответ на ""Господство НАТО ставится под сомнение". Западу придется сменить военную доктрину из-за СВО"
  • 14.05 17:37
  • 0
Ответ на "«Для российских танков это было бы фатально»: по словам ВСУ, Leopard 2 выдержал налёт дронов и подрыв боекомплекта"
  • 14.05 14:37
  • 0
Выборы в Польше: исход решится во втором туре
  • 14.05 05:29
  • 2
"Господство НАТО ставится под сомнение". Западу придется сменить военную доктрину из-за СВО
  • 14.05 05:00
  • 0
Что в СССР было и реально "участвующим в бою", и "не имеющим аналогов/на уровне лучших аналогов/превосходящим аналоги".
  • 14.05 00:36
  • 2
«Карантин» на Балтике – второй фронт альянса
  • 13.05 23:54
  • 0
О роли Войны, репараций, трофеев, lend-lease'а, международного сотрудничества для развития СССР, в том числе в военной области.
  • 13.05 17:59
  • 3
Сигнал Китаю: на авиашоу в Японии США продемонстрировали новую ракету «воздух-воздух» AIM-174B
  • 13.05 12:06
  • 57
Какое оружие может оказаться эффективным против боевых беспилотников