Требования к микроэлектронике возрастают, и научное сообщество ищет новые способы повышения производительности устройств, работающих с информацией. Один из самых перспективных путей – создание оптических микросхем. Использование света вместо электрического тока может обеспечить более эффективную передачу сигналов как между микросхемами, так и внутри них.

Поскольку кремний, материал, лежащий в основе современной электроники, сам по себе малопригоден для оптических схем, учёные обратились к другому классу материалов – полупроводникам группы III–V. Соединения, состоящие из химических элементов группы бора (III группа периодической системы элементов) и группы азота (V группа), отличаются замечательными полупроводниковыми свойствами, и на их основе создают светоизлучающие устройства – светодиоды и лазеры.

Современная микроэлектронная промышленность ориентирована преимущественно на производство материалов на основе кремния. Поэтому внедрение устройств из полупроводников группы III–V в существующие схемы представляет особый интерес: можно достичь новых высот, не отказываясь от старых технологий.

Группа профессора Конни Чана-Хаснана (Connie Chang-Hasnain) в Калифорнийском университете в Беркли поставила перед собой цель создать единую оптоэлектронную схему – разместить кристаллы полупроводника на поверхности кремния. Посвящённая работе статья была опубликована 6 февраля в онлайн-версии журнала Nature Photonics.

«Подружить» два материала оказалось не так-то просто, в первую очередь в силу разности в атомной структуре.

«Выращивание полупроводника группы III–V на кремнии напоминает попытку силой соединить два несочетаемых фрагмента головоломки – сделать это можно, но материал будет непременно повреждён», – цитирует Роджера Ченя (Roger Chen), одного из авторов исследования, «новостной центр университета»;http://newscenter.berkeley.edu/2011/02/06/silicon-nanolasers/.

По словам профессора Чана-Хаснана, научного руководителя работы, одной из основных проблем оказалась высокая температура. Выращивание полупроводников группы III–V традиционно проводится при высоких температурах – порядка 700 ºС или больше; кремниевые схемы при такой температуре были бы просто уничтожены.

Тем не менее учёным удалось найти золотую середину: их метод позволяет выращивать наностержни из арсенида индия и галлия (полупроводник группы III–V) на поверхности кремния при относительно низкой температуре в 400 ºС. Для этого использовалась химическая технология осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы, уже хорошо отработанная индустрией при создании тонких полупроводниковых плёнок для солнечных батарей и современных светодиодов.

Расположенные на кремниевой подложке наностержни способны генерировать лазерное излучение в ближней инфракрасной области спектра. Эти шестиугольные (что обусловлено атомной структурой арсенида индия и галлия) структуры шириной порядка 500 нм и высотой в несколько микрометров работают как относительно эффективные оптические резонаторы. Свет, пойманный в такой резонатор, отражается между «верхней» и «нижней» частями структуры, при этом его интенсивность увеличивается. Маленький размер позволит плотно упаковывать нанолазеры на оптической схеме. Система с высокой производительностью будет занимать очень мало места и потреблять мало энергии.

Авторы работы видят немалые перспективы у своего изобретения: оно сделает возможным при помощи уже существующих технологий сооружать на кристаллах кремния эффективные нанооптические устройства – лазеры, фотодатчики, оптические модуляторы, солнечные батареи. Это первый в истории опыт интеграции нанолазеров на основе полупроводников III–V в кремниевые схемы по методу сборки «снизу вверх», и он, по словам профессора Чана-Хаснана, способен подстегнуть назревающую оптоэлектронную революцию в вычислительной технике. В дальнейшем группа Чана-Хаснана намерена заниматься совершенствованием характеристик нанолазеров и разработкой методов электронного управления ими.

Источник информации:

• Roger Chen, Thai-Truong D. Tran, Kar Wei Ng, Wai Son Ko, Linus C. Chuang, Forrest G. Sedgwick & Connie Chang-Hasnain. «Nanolasers grown on silicon». Nature Photonics, 2011, doi:10.1038/nphoton.2010.315.

Автор: Владимир Лымарев