Кремниевый чип со встроенным лазером

19 мая 2016 г., 10:35

Физики из Технического университета Мюнхена (ТУМ) разработали нанолазер в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Благодаря хитроумному процессу нанопроволочные лазеры растут прямо на кремниевом чипе, что позволяет экономически эффективно изготавливать высокопроизводительные оптические компоненты. Это откроет путь для быстрой и эффективной оптической обработки данных в будущем.

Все меньше, все быстрее, все дешевле – с начала компьютерной эры производительность процессоров удваивается в среднем каждые 18 месяцев. Еще 50 лет назад соучредитель Intel Гордон Э. Мур прогнозировал этот удивительный рост производительности. И закон Мура, кажется, выполняется и по сей день.

Но миниатюризации электроники теперь достигает своих физических пределов. «Сегодня транзисторы уже имеют размеры всего лишь несколько нанометров. Дальнейшие сокращения являются чудовищно дорогими, - говорит проф. Джонатан Финли (Jonathan Finley), директор Института Уолтера Шоттки в ТУМ. - Повышение эффективности достижимо лишь путем замены электронов фотонами, т. е. частицами света».

Передача данных и обработка с помощью света может разрушить барьеры современной электроники. Фактически первые кремниевые оптические чипы уже существуют. Однако источники света для передачи данных присоединяются к кремнию с помощью сложных производственных процессов. Таким образом исследователи во всем мире ищут альтернативные подходы.

Ученые из ТУ Мюнхена добились успехов в этом деле: д-р Грегор Коблмюллер (Gregor Koblmüller) из отдела полупроводниковых квантовых наносистем в сотрудничестве с Джонатаном Финли разработал процесс осаждения нанолазеров непосредственно на кремниевые чипы.

Выращивание полупроводников из элементов III-V групп на кремнии требует упорного экспериментирования. «Два материала имеют разные параметры решетки и различные коэффициенты теплового расширения. Это приводит к деформациям, - объясняет д-р Коблмюллер. - Например, обычный планарный рост арсенида галлия на поверхности кремния приводит, следовательно, к большому количеству дефектов».

Команда ТУМ решила эту проблему изобретательным образом – путем осаждения нанопроволок, которые отдельно располагаются на кремнии с площадью основания всего лишь несколько квадратных нанометров. Ученые смогли таким образом предотвратить появление дефектов в GaAs.

Но как же превратить нанопроволоки в лазеры с вертикальным резонатором? Для генерации когерентного света, фотоны должны быть отражены в верхнем и нижнем концах провода, тем самым усиливая свет до тех пор, пока не достигнут желаемый порог лазерной генерации.

Для выполнения этих условий исследователи разработали простое, но изощренное решение: «Поверхность раздела между арсенидом галлия и кремнием не достаточно отражает свет. Поэтому мы встроили дополнительное зеркало – толстый слой оксида кремния толщиной 200 нанометров, который мы напылили на кремнии, - объясняет Бенедикт Майер (Benedikt Mayer), докторант в команде Коблмюллера и Финли. - Крошечные отверстия могут быть выгравированы на зеркальном слое. Используя эпитаксию, полупроводниковые нанопроволоки могут затем быть выращены атом за атомом из этих отверстий».

Как только проволоки выступят за пределы поверхности зеркала, они могут расти в поперечном направлении до тех пор, пока полупроводник не станет достаточно толстым, чтобы фотоны могли отражаться для стимулированного излучения и лазерной генерации. «Этот процесс очень элегантный, потому что это позволяет нам также позиционировать нанопроволочные лазеры непосредственно на волноводы в кремниевом чипе, - говорит Коблмюллер.

В настоящее время новые нанопроволочные лазеры из арсенида галлия генерируют инфракрасное излучение на предопределенной длине волны и при импульсном возбуждении. «В будущем мы хотим изменять длину волны излучения и другие параметры лазеров для лучшего управления температурной стабильностью и распространения света при непрерывном возбуждении в кремниевых чипах», - добавляет Финли.

Кремниевый чип со встроенным лазером