Исследователи представили революционный светоизлучающий кремний
Результаты работ по созданию светоизлучающего кремния представила международная группа исследователей. Статью 8 апреля опубликовал журнал Nature.
Первоочередной целью исследования являлось достижение эффективного излучения света из материалов IV группы в кремниевой технологии. В статье авторы демонстрируют эффективное излучение света образцами, выполненными из матералов, представляющих собой гексагональные сплавы Ge и SiGe с прямой полосой пропускания.
Группа, координируемая в стенах Эйндховеского технологического университета, получила _«материальную систему, в которой удалось совместить электронные и электронно-оптические функциональные возможности на одиночном кристале, раскрывая путь к интегрированным концепциям приборов и технологиям обработки информации».
Существующие решения, применяемые в микроэлектронике практически достигли своего теоретического предела и далее не могут быть существенно усовершенствованы. Ограничивающим фактором является тепло, возникающее из-за сопротивления, которое испытывают электроны при движении по чипу. Для продолжения развития передачи данных требуется новая техника, которая не производит тепла.
В отличии от электронов, фотоны не испытывают сопротивления. Поскольку они не имеют массы или заряда, то рассеиваться внутри материала, через который они проходят, они будут меньше и меньше производить тепла. Соответственно, траты энергии на прохождение сигнала будут сокращены. Кроме того, замена электрической связи внутри микросхемы оптической в принципе позволяет увеличить скорость связи между микросхемами и чипами в тысячи раз. Фотонные технологии способны также придать существенный импульс развитию приборостроения (лазерные авторадары, химические датчики медицинской диагностики и т. д.).
«Суть заключается в природе так называемой запрещенной зоны полупроводника», — говорит ведущий исследователь Эрик Баккерс из Эйндховенского технологического университета, — «Если электрон „падает“ из зоны проводимости в валентную зону, полупроводник испускает фотон и получается свет». Баккерс утверждает, что «теория показала, что кремний, легированный германием и имеющий форму гексагональной структуры, действительно <…> потенциально может излучать свет».
Команда Баккерса научилась выращивать нанотрубки и смогла синтезировать гексагональную структуру сплава в 2015 году. Однако, добиться излучения удалось только в 2019 году, когда команда смогла получить сверхчистые материалы, сократив количество примесей и дефектов кристаллической структуры. При возбуждении нановолокна лазером исследователи смогли измерить эффективность нового материала. Ален Дийкстра, первый общий автор и исследователь, ответственный за измерение светового излучения, сказал: «Наши эксперименты показали, что материал имеет правильную структуру и что он свободен от дефектов. Он испускает свет очень эффективно».
Баккерс утверждает, что теперь создание лазера является вопросом времени. «К настоящему времени мы реализовали оптические свойства, которые практически сравнимы с фосфидом индия и арсенидом галлия, а качество материалов резко улучшается. Если все пойдет гладко, мы сможем создать лазер на основе кремния в 2020 году. Это позволило бы обеспечить тесную интеграцию оптической функциональности в доминирующую электронную платформу, что открыло бы перспективы для внутрикристальной оптической связи и доступных химических датчиков на основе спектроскопии».
В настоящее время команда Баккерса также исследует возможность интегрировать гексагональный кремний в кубическую кремниевую микроэлектронику, что является важной предпосылкой для создания лазера.
Этот исследовательский проект был профинансирован Европейским проектом SiLAS, координируемым профессором Эйндховенского технологического университета Йосом Хаверкортом.
