Исследователи представляют революционный светоизлучающий кремний

Излучение света кремнием было Святым Граалем микроэлектронной промышленности на протяжении десятилетий. Решение этой головоломки произвело бы революцию в вычислениях, так как микросхемы станут быстрее, чем когда-либо

Ученые из Эйндховенского технологического университета разработали сплав с кремния, способный излучать свет. Результаты были опубликованы в журнале "Nature". Теперь команда разрабатывает кремниевый лазер, который будет интегрирован в современные чипы.

Кремниевый лазер

Современная технология, основанная на полупроводниках, достигает своего предела. Ограничительным фактором является тепло, возникающее в результате сопротивления, которое выделяет электроны, проходя через медные линии, соединяющие множество транзисторов в микросхеме. Для дальнейшего развития передачи данных требуется новая технология, которая не производит тепла.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

В отличие от электронов, фотоны не испытывают сопротивления. Поскольку они не имеют массы или заряда, они будут меньше рассеиваться в пределах материала, через который они проходят, и поэтому не производят тепла. Таким образом, потребление энергии будет снижено. Более того, заменив электрическую связь внутри чипа на оптическую, скорость обмена данными между чипами может быть увеличена в 1000 раз.

Центры обработки данных выиграют от этого больше всего, благодаря более быстрой передаче данных и меньшему потреблению энергии для систем охлаждения. Но эти фотонные чипы могут быть использованы в новых областях применения. Подумайте о лазерном радаре для автономных автомобилей и химических датчиках для медицинской диагностики или для измерения качества воздуха и продуктов питания.

Использование света в чипах требует встроенного лазера. Основным полупроводниковым материалом, из которого изготовлены компьютерные чипы, является кремний. Но объемный кремний крайне неэффективен в излучении света, и долгое время считалось, что он не играет никакой роли в фотонике. Поэтому ученые обратились к более сложным полупроводникам, таким как арсенид галлия и фосфид индия. Они хорошо излучают свет, но стоят дороже кремния, и их трудно интегрировать в существующие кремниевые микросхемы.

Для создания лазера, совместимого с кремнием, ученым необходимо производить форму кремния, который может излучать свет. Ученые из Эйндховенского технологического университета (TU/e) вместе с исследователями из Йенского, Линцкого и Мюнхенского университетов объединили кремний и германий в шестиугольную структуру, способную излучать свет, что стало прорывом после 50 лет работы.

"Суть в природе так называемого полосового разрыва полупроводника", - говорит ведущий исследователь Эрик Баккерс (Erik Bakkers) из TU/e. Если электрон "выпадает" из полосы проводимости в валентную полосу, полупроводник испускает фотон: свет".

Но если полоса проводимости и валентная полоса смещены относительно друг друга, что называется непрямым зазором полосы, то фотоны не могут излучаться, как в кремнии. "Однако 50-летняя теория показала, что кремний, легированный германием и имеющий форму шестиугольной структуры, имеет прямой зазор полосы и поэтому потенциально может испускать свет", - говорит Баккерс.

Формирование кремния в гексагональную структуру, однако, не является легким делом. Поскольку Баккерс и его команда овладели техникой выращивания нанопроволок, им удалось создать гексагональный кремний в 2015 году. Чистый гексагональный кремний они получили путем первого выращивания нанопроволок из другого материала с гексагональной кристаллической структурой. Затем они вырастили кремниево-германиевую оболочку на этом шаблоне. Эльхам Фадали, один из авторов статьи, говорит: "Нам удалось сделать это так, что атомы кремния строились по гексагональному шаблону, и тем самым заставили атомы кремния вырасти в гексагональной структуре".

Но они не могли заставить их излучать свет, до сих пор. Команде Баккерса удалось повысить качество шестиугольных кремниево-германиевых оболочек за счет уменьшения количества примесей и дефектов кристаллов. При возбуждении нанопроволоки лазером, они могли измерить эффективность нового материала. Ален Дийкстра (Alain Dijkstra), первый автор и исследователь, ответственный за измерение светового излучения, говорит: "Наши эксперименты показали, что материал имеет правильную структуру, и что он не имеет дефектов. Он излучает свет очень эффективно".

Создание лазера - это вопрос времени, говорит Баккерс. "К настоящему моменту мы реализовали оптические свойства, которые почти сопоставимы с  фосфидом индия и арсенидом галлия, и качество материалов резко улучшается. Если дела пойдут гладко, мы сможем 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. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet