Революционный светоизлучающий кремний

Прорыв после 50 лет работы открывает путь для фотонных чипов.

Излучение света кремнием десятилетиями было «святым Граалем» в микроэлектронной промышленности. Решение этой головоломки революционизирует компьютерные технологии, поскольку чипы станут быстрее, чем когда-либо. Исследователи из Технологического университета Эйндховена теперь в этом преуспели: они разработали сплав с кремнием, который может излучать свет. Результаты были опубликованы в журнале Nature. Теперь команда начнет создавать кремниевый лазер для интеграции в существующие чипы.

Каждый год мы используем и производим значительно больше данных. Но наши современные технологии, основанные на электронных чипах, достигают своего предела. Ограничивающим фактором является тепло, возникающее из-за сопротивления, которое испытывают электроны при прохождении по медным линиям, соединяющие множество транзисторов на кристалле. Если мы хотим продолжать передавать все больше и больше данных каждый год, нам нужна новая технология, которая не производит тепло. Это может обеспечить фотоника, которая использует фотоны для передачи данных.

В отличие от электронов, фотоны не испытывают сопротивления. Поскольку они не имеют массы или заряда, они будут меньше рассеиваться в материале, через который проходят, и поэтому тепло не вырабатывается. Следовательно, потребление энергии будет уменьшено. Более того, заменяя электрическую связь внутри микросхемы оптической связью, можно повысить скорость обмена данными внутри микросхемы и между микросхемами в 1000 раз. Центры обработки данных выиграют больше всего благодаря более быстрой передаче данных и меньшему потреблению энергии для системы охлаждения. Но эти фотонные чипы также принесут новые приложения в ближайшем будущем. Подумайте о лазерном радаре для автомобилей с автоматическим управлением и химических датчиках для медицинской диагностики или для измерения качества воздуха и пищи.

Чтобы использовать свет в чипах, понадобится источник света – интегрированный лазер. Основным полупроводниковым материалом, из которого сделаны компьютерные чипы, является кремний. Но объемный кремний крайне неэффективен в излучении света, и поэтому долгое время считалось, что он не играет никакой роли в фотонике. Таким образом, ученые обратились к более сложным полупроводникам, таким как арсенид галлия и фосфид индия. Они хорошо излучают свет, но стоят дороже, чем кремний, и их трудно интегрировать в существующие кремниевые микрочипы.

Чтобы создать кремний-совместимый лазер, ученым необходимо было создать форму кремния, которая может излучать свет. Именно в этом и преуспели исследователи из Технологического университета Эйндховена (TU/e). Вместе с исследователями из университетов Йены, Линца и Мюнхена они объединили кремний и германий в гексагональную структуру, способную излучать свет. Это прорыв после 50 лет работы.

«Суть в природе запрещенной зоны полупроводника, - говорит ведущий исследователь Эрик Баккерс (Erik Bakkers) из TU/e. - Если электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону, полупроводник излучает фотон». Но если зона проводимости и валентная зона смещены относительно друг друга, что называется непрямой запрещенной зоной, фотоны не могут испускаться, как в случае с кремнием. «Однако 50-летняя теория показала, что кремний, легированный германием, имеющий гексагональную структуру, имеет прямую запрещенную зону и, следовательно, потенциально может излучать свет», - говорит Баккерс.

Формирование кремния в гексагональной структуре, однако, не так просто. Поскольку Баккерс и его команда овладели техникой выращивания нанопроволок, они смогли создать гексагональный кремний в 2015 году. Они реализовали чистый гексагональный кремний, впервые вырастив нанопроволочки из другого материала с гексагональной кристаллической структурой. Затем они вырастили кремниево-германиевую оболочку по этому шаблону. Эльхам Фадали (Elham Fadaly), один из авторов статьи в Nature, сказал: «Мы смогли сделать это так, чтобы атомы кремния были построены на гексагональной матрице, и тем самым заставили атомы кремния расти в гексагональной структуре».

Но они до сих пор не могли заставить их излучать свет. Команде Баккерса удалось повысить качество гексагональных кремний-германиевых оболочек за счет уменьшения количества примесей и кристаллических дефектов. При возбуждении нанопроволоки лазером, они могли измерить эффективность нового материала.

По мнению Баккерса, создание лазера - дело времени. «К настоящему времени мы осознали оптические свойства, которые почти сопоставимы с фосфитом индия и арсенидом галлия, и качество материалов резко улучшается. Если дела пойдут гладко, мы можем создать лазер на основе кремния в 2020 году. Это позволит обеспечить тесную интеграцию оптической функциональности в доминирующей электронной платформе, которая открыла бы перспективы для встроенной оптической связи и доступных химических датчиков на основе спектроскопии».

Тем временем его команда также исследует, как интегрировать гексагональный кремний в микроэлектронику кубического кремния, что является важной предпосылкой для этой работы.

Загляните внутрь металлоорганической парофазной эпитаксии (MOVPE). Эта машина использовалась для выращивания нанопроволок с гексагональными кремний-германиевыми оболочками

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365