Революционный светоизлучающий кремний — прорыв после 50 лет работы

Излучение света из кремния 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 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 через медные линии, 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 и привносит фотонику, которая использует фотоны (легкие частицы) 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, следовательно, тепло не вырабатывается. Следовательно, потребление энергии будет уменьшено. Кроме 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 своих систем охлаждения. Но эти фотонные чипы также принесут новые приложения в пределах досягаемости. Подумайте о лазерном радаре для автомобилей с автоматическим управлением и химических датчиках для медицинской диагностики, или для измерения качества воздуха и пищи.

Падающий электрон испускает фотон

Чтобы использовать свет в чипах, вам 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 уникальный прорыв после 50 лет работы.

Гексагональная структура

«Суть в природе так называемой запрещенной зоны полупроводника», — говорит ведущий исследователь Эрик Баккерс из TU/e. — «Если электрон падает из зоны проводимости в валентную зону, полупроводник излучает фотон: свет». 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 форму гексагональной структуры, 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 нанопроволоку из другого материала с гексагональной кристаллической структурой. Затем они вырастили кремниево-германиевую оболочку по этому шаблону. Эльхам Фадали, первый автор статьи в Nature, поделился своим мнением: «Мы смогли сделать это так, чтобы атомы кремния были построены на гексагональной матрице, и тем самым заставили атомы кремния расти в гексагональной структуре».

Кремниевый лазер

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. Ален Дейкстра также поделился с первым автором статьи и отвечает за измерение излучения света: «Наши эксперименты показали, что материал имеет правильную структуру и что он не имеет дефектов. Он излучает свет очень эффективно».

По мнению Баккерса, создание лазера — дело времени. «К настоящему времени мы реализовали оптические свойства, которые почти сопоставимы с фосфием 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 оптических функций в доминирующей электронной платформе, что откроет 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.

-=GadZZillA=-

Компьютерный системный администратор, веб-огородник, IT-шник, специалист по строительным материалам, создатель и администратор проекта "Лаборатория Рабочих Столов"

Вас также может заинтересовать...

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

 

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.