Forskere tæmmer silicium til at interagere med lys til næste generations mikroelektronik

Skoltech-forskere og deres kolleger fra RAS Institute for Physics of Microstructures, Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, ITMO Universitet, Lomonosov Moskva statsuniversitet, og A.M. Prokhorov General Physics Institute har fundet en måde at øge fotoluminescens i silicium, den notorisk ringe udsender og absorber af fotoner i hjertet af al moderne elektronik. Denne opdagelse kan bane vejen for fotoniske integrerede kredsløb, øge deres præstationer. Artiklen blev offentliggjort i tidsskriftet Laser og fotonik anmeldelser .

"Naturlig udvælgelse" inden for halvlederteknologi har gennem næsten 80 år ført til, at silicium er opstået som det fremherskende materiale til chips. De fleste digitale mikrokredsløb er skabt ved hjælp af CMOS-teknologi (CMOS), som står for komplementær metal-oxid-halvleder. Alligevel har producenter ramt en mur på vej til at øge deres ydeevne endnu mere:varmeafgivelse på grund af høj tæthed af elementer i CMOS-kredsløb.

En potentiel løsning er at reducere varmeudviklingen ved at skifte fra metalliske forbindelser mellem elementer i mikrokredsløb til optiske:i modsætning til elektroner i ledere, fotoner kan rejse gigantiske afstande i bølger med minimale varmetab.

"Overgangen til CMOS-kompatible fotoniske integrerede kredsløb vil også gøre det muligt at øge informationsoverførselshastigheden betydeligt inden for en chip og mellem individuelle chips i moderne computere, gør dem hurtigere. Desværre, silicium selv vekselvirker svagt med lys:det er en dårlig emitter og en dårlig absorber af fotoner. Derfor, at tæmme silicium til at interagere med lys effektivt er en væsentlig opgave, "Sergey Dyakov, seniorforsker ved Skoltech og artiklens første forfatter, siger.

Dyakov og hans kolleger har formået at forbedre silicium-baseret fotoluminescens ved hjælp af germanium kvanteprikker og en specielt designet fotonisk krystal. De brugte en resonator baseret på bundne tilstande i kontinuummet, en idé lånt fra kvantemekanikken:disse resonatorer skaber en effektiv indespærring af lys inde i dem, da symmetrien af ​​det elektromagnetiske felt inde i resonatoren ikke svarer til symmetrien af ​​de elektromagnetiske bølger i det omgivende rum.

De valgte også germanium nanoøer som en kilde til luminescens, som kan indlejres på det ønskede sted på en siliciumchip. "Brugen af ​​bundne tilstande i kontinuummet øgede luminescensintensiteten med mere end hundrede gange, " Dyakov siger, bemærker, at det kan føre os til CMOS-kompatible fotoniske integrerede kredsløb.

"Resultaterne åbner op for nye muligheder for at skabe effektive strålingskilder baseret på silicium, indbygget i moderne mikroelektroniks kredsløb med optisk signalbehandling. Der er i øjeblikket masser af grupper, der arbejder på at skabe lysemitterende dioder baseret på sådanne strukturer og principperne for deres kobling med andre elementer på en optoelektronisk chip, Professor Nikolay Gippius, leder af Nanophotonics Theory Group ved Center of Photonics and Quantum Materials på Skoltech, siger.