Светоизлучающий кремний - на пути к внутричиповым оптическим коммуникациям

Для того, чтобы создать кремниевый лазер для будущих высокопроизводительных и эффективных фотонных чипов, необходима была форма кремния, способная излучать свет. Именно в этом преуспели исследователи из Технологического университета Эйндховена (TU/e) вместе с коллегами из университетов Йены, Линца и Мюнхена.

«Загвоздка — в природе так называемой запрещенной зоны полупроводника, — рассказывает Эрик Баккерс (Erik Bakkers), ведущий исследователь из TU/e. — Если электрон «выпадает» из зоны проводимости в валентную зону, то полупроводник испускает фотон: излучает свет». Кремний же относится к так называемым полупроводникам с непрямой запрещённой зоной — области проводимости и валентности у него смещены относительно друг друга, что делает излучение фотонов невозможным.

Примерно полвека назад была сформулирована гипотеза, гласящая, что сплав кремния с германием, имеющий гексагональную структуру, будет прямозонным полупроводником и, следовательно, сможет излучать свет.

Группа Баккерса первой получила гексагональный кремний в 2015 г., в виде нанопровода, выращенного на затравочном материале с гексагональной кристаллической решёткой. Затем этот кремний, в свою очередь, послужил основой для выращивания гексагонального кремний-германиевого сплава. Заставить этот материал испускать свет удалось только недавно, когда учёные смогли улучшить его качество, уменьшив количество посторонних включений и дефектов кристаллической решётки.

Результаты были опубликованы в журнале Nature. В ближайшее время группа приступит к созданию кремниевого лазера для внедрения в современные чипы. По прогнозам Баккерса, если не возникнет непредвиденных трудностей с интеграцией гексагонального кремния в обычный — кубический, такой лазер может быть готов уже в этом году.

Плотная интеграция оптической функциональности в доминирующую платформу микроэлектроники откроет перспективы для внедрения внутричиповых оптических коммуникаций и появления доступных химических датчиков, работающих на принципах спектроскопии.