Новый лазер для компьютерных чипов

Ученые из Исследовательского центра в Юлихе и Института Пауля Шеррера в Швейцарии в сотрудничестве с международными партнерами представили первый полупроводник, состоящий исключительно из элементов главной группы IV. Как следствие, лазер на базе германия и олова (GeSn) может быть нанесен непосредственно на кремниевый чип и таким образом создает новую основу для передачи данных в компьютерных чипах с помощью света: эта передача происходит быстрее, чем это возможно с медными проводами и требует лишь часть энергии.

Передача данных между несколькими ядрами, а также между логическими элементами и ячейками памяти, рассматривается как узкое место в быстро развивающихся компьютерных технологиях. Передача данных с помощью света могла бы ответить на запрос более быстрого и энергоэффективного обмена данными в компьютерных микросхемах, а также между различными компонентами материнской платы. «Передача сигнала с помощью медных проводов ограничивает развитие больших и быстрых компьютеров из-за тепловой нагрузки и ограниченной пропускной способности. Только тактовый сигнал для синхронизации цепей использует до 30% энергии, которая могла бы быть сохранена с помощью оптической передачи», - объясняет проф. Детлев Грюцмахер (Detlev Grützmacher), директор Института Петера Грюнберга (PGI) в Юлихе.

Некоторые междугородние телекоммуникационные сети и вычислительные центры используют оптические соединения на протяжении десятилетий. Они обеспечивают высокую пропускную способность даже на больших расстояниях. По оптическим волокнам сигнал распространяется почти без потерь и возможна передача на различных длинах волн одновременно: преимущество в скорости, от которого выигрывают как микро-, так и наноэлектроника. Интеграция оптических компонентов уже достигла успехов во многих областях. Однако несмотря на интенсивные исследования, лазерный источник, который был бы совместим с производством чипов, пока не создан.

В основе производства микросхем лежит кремний, элемент главной группы IV периодической таблицы. Однако типичные полупроводниковые лазеры для телекоммуникационных систем, изготовленные из арсенида галлия, например, являются дорогостоящими и состоят из элементов из основных групп III или V. Это влечет серьезные последствия для свойств кристалла. Такие лазерные компоненты не могут, следовательно, быть изготовлены непосредственно на кремнии. Они должны изготавливаться отдельно с большими затратами и затем приклеиваться к кремниевой пластине. Однако срок службы такого рода компонента значительно снижается из-за того, что коэффициенты теплового расширения этих элементов значительно отличаются от кремния.

В отличие от этого, полупроводники основной группы IV, к которой принадлежат как кремний, так и германий, могут быть интегрированы в процесс производства без каких-либо серьезных трудностей. Однако ни один из этих элементов не является эффективным в качестве источника света. Они отнесены к числу полупроводников с непрямыми переходами. В отличие от полупроводников с прямыми переходами, они при возбуждении излучают, в основном, тепло и только немного света. Вот почему исследовательские группы по всему миру интенсивно преследует цель изменить свойства германия так, чтобы он смог усиливать оптические сигналы и, таким образом, использовать его как лазерный источник.

Ученым из Института Петера Грюнберга впервые удалось создать «настоящий» полупроводниковый лазер на прямых полупроводниках основной группы IV путем объединения германия и олова, которое также принадлежат к основной группе IV. «Высокое содержание олова имеет решающее значение для оптических свойств. Впервые мы смогли внедрить более чем 10% олова в кристаллическую решетку без потери оптических свойств», - сказал аспирант Стефан Виртс (Stephan Wirths). «Однако функционирование лазера сих пор ограничивается низкими температурами до – 183 градусов по Цельсию. В основном это связано с тем, что мы работали с тестовой системой, которая не была оптимизирована», - добавил д-р Дэн Бука (Dan Buca).

В сотрудничестве со своими коллегами из группы проф. Зигфрида Мантля (Siegfried Mantl) из PGI-9, Стефан Виртс изготовил лазер непосредственно на кремниевой пластине. Для демонстрации лазер возбуждался оптически. В настоящее время ученые в группе док. Дэна Бука работают над более тесной увязкой оптики и электроники. Следующим шагом вперед будет генерирование лазерного излучения посредством электрической накачки и без необходимости в охлаждении. Цель состоит в том, чтобы создать лазер с электрической накачкой, который функционирует при комнатной температуре.

Наряду с компьютерными чипами, полностью новые приложения, которые не были реализованы до сих пор по финансовым причинам, могут использовать новый лазерный материал. Примерами являются газовые сенсоры или имплантируемые чипы для медицинских приложений, которые могут собирать информацию об уровнях сахара в крови или другие параметры с помощью спектрального анализа. В будущем такие технологии позволят разрабатывать экономически эффективные портативные датчики, которые могут быть интегрированы со смартфоном, поставлять данные в режиме реального времени о распределение веществ в воздухе или на земле и тем самым способствовать лучшему пониманию погоды и изменений климата.

Схема структуры лазера на базе германия и олова (GeSn), нанесенного непосредственно на кремниевую пластину (синий) с использованием промежуточного слоя из чистого германия (оранжевый)