Войти

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

1454
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
  • 13.04 02:08
  • 1
На Украине показали БЭК-авианосец
  • 13.04 01:53
  • 1
Трамп вспылил и сорвался на Рютте из-за бездействия НАТО по Ирану (Politico, США)
  • 13.04 01:38
  • 1
Лёд тронулся, или Непослушный питомец из Прибалтики
  • 12.04 21:13
  • 1066
Подушка безопасности Ирана на фоне слов Израиля о недостаточности вывоза урана
  • 12.04 19:45
  • 0
Комментарий к "«Пока не возьмем на абордаж, не успокоятся». Запад готовит тотальную морскую блокаду России"
  • 12.04 13:45
  • 15503
Без кнута и пряника. Россия лишила Америку привычных рычагов влияния
  • 12.04 07:58
  • 1
Что необходимо самолетам 5 и 6-го поколений без учета малозаметности. И какие страны в этом впереди.
  • 12.04 02:38
  • 0
Каковы перспективы боевой авиации без "малозаметности".
  • 12.04 02:08
  • 1
Комментарий к "США возвращаются к авиации 4 поколения. Почему? Разбираемся в проблеме"
  • 11.04 20:03
  • 2
Пошли суда: фрегат «Адмирал Григорович» провел два наших танкера через Ла-Манш
  • 11.04 19:15
  • 0
Комментарий к "Алжирский Су-57 впервые показали на качественном снимке"
  • 10.04 19:59
  • 0
Комментарий к "Ад разверзся: Зеленский взмолился о пощаде. Русские только вошли во вкус"
  • 10.04 18:49
  • 1
Структурный коллапс НАТО — результат отрыва от реальности (The Spectator, Великобритания)
  • 10.04 17:35
  • 0
Комментарий на взгляд из 2021 г. (Чжунго цзюньван (Китай): США и Россия «демонстрируют друг другу» асимметричную боевую мощь)
  • 10.04 11:19
  • 1
Чжунго цзюньван (Китай): США и Россия «демонстрируют друг другу» асимметричную боевую мощь