Группой учtных Университета Лобачевского получен новый по своей структуре материал для применений в оптоэлектронике и фотонике нового поколения. Этот материал представляет собой одну из гексагональных модификаций кремния, которые привлекают внимание исследователей и разработчиков во всем мире в связи с их лучшими излучательными свойствами по сравнению с обычным кубическим кремнием, традиционно используемым в микроэлектронном производстве.

Статья по результатам работы была опубликована в престижном журнале Applied Physics Letters.

В новом исследовании авторы показали возможность создания светоизлучающих структур непосредственно в кремнии, основном материале современной электроники. Это значит, что наука стала еще на один шаг ближе к созданию сверхбыстрых интегральных схем, в которых передача сигнала (данных) будет осуществляться со скоростью света.

Основным методом исследования является оригинальная технология создания материала, которая основана на внедрении ионов инертных газов в диэлектрическую пленку на кремнии (так называемая ионная имплантация) с целью создания механических напряжений, релаксация которых при высокотемпературном отжиге приводит к фазовому переходу в подложке кремния на границе со слоем диэлектрика. Таким образом, в исходной подложке кремния образуется приповерхностный слой новой фазы, который может быть использован в оптически активных элементах интегральных схем.

По словам одного из ученых, заведующего лабораторией НИФТИ ННГУ Алексея Михайлова, проблема поиска светоизлучающих материалов, совместимых с традиционными кремниевыми технологиями, особо остро встала в последнее десятилетие в связи с необходимостью дальнейшего увеличения быстродействия интегральных схем, которое в стандартном их исполнении лимитируется скоростью передачи электрических сигналов внутри схемы по металлическим проводникам.

Электронно-микроскопическое изображение слоя гексагональной фазы кремния на границе с облученной пленкой диоксида кремния (a) и картина дифракционных рефлексов, полученная с помощью Фурье-преобразования выделенной области.

«Одним из наиболее перспективных подходов к преодолению этого ограничения считается использование подходов оптоэлектроники, когда электрические сигналы заменяются оптическими. К сожалению, пока нет технологий, позволяющих создавать интегральные схемы на основе кремния, в которых передача данных будет осуществляться со скоростью световых сигналов», – отмечает Михайлов.

Нижегородскими учеными синтезированы слои в кремнии, которые смогут выступить в роли оптически активной среды. Благодаря взаимодействию экспериментаторов, инженеров и теоретиков, были детально исследованы условия синтеза, оптические свойства и электронная структура данных слоев.

Физики много лет работают над созданием новых подходов в электронике, а в частности, изучением возможности получения оптоэлектронных интегральных схем для приборов нового поколения. Современное производство чипов для компьютеров осуществляется на кремнии. Этот полупроводник является наиболее распространенным в земной коре и технология его производства хорошо отработана – является наиболее дешевой. Для увеличения скорости передачи данных в чипе производители полупроводниковых приборов рассматривают возможность в качестве передающего сигнала использовать свет. Для этого необходимо разместить на чипе светоизлучающие структуры. Но кремний является неэффективным излучателем света в силу своей электронной структуры. Поэтому необходим поиск светоизлучающих материалов совместимых с кремниевыми технологиями.

Как отмечает исследователь Алена Никольская, младший научный сотрудник лаборатории физики и технологии тонких пленок НИФТИ:

«Ученые всего мира соревнуются в поиске таких материалов и технологий, позволяющих получить желаемые светоизлучающие структуры на кремнии, но, к сожалению, до сегодняшнего момента нет достаточно эффективных и дешевых технологий, позволяющих достигнуть хорошего результата».

Исследователи показали возможность с помощью традиционных методов и технологий значительно улучшить светоизлучающие свойства кремния за счет изменения его структуры.

«В рамках данной работы впервые в мире с помощью ионной имплантации получена гексагональная модификация кремния фазы 9R и выявлена связанная с ней полоса излучения в инфракрасной области спектра. Этот результат особенно важен, так как данная полоса находится в области прозрачности кремниевых световодов», – подчеркнул Алексей Михайлов.

Как отмечают в ННГУ, новая работа сможет послужить отправной точкой для создания оптоэлектронных интегральных схем, изготавливаемых с помощью традиционных технологических операций и материалов на основе кремния.