Создан кремниевый чип с интегрированным лазером, состоящим из тончайших нанопроводников - «Наука и технологии»

Ученые-физики из Технологического университета Мюнхена (Technical University of Munich, TUM) разработали структуру нового типа нанолазера, размер которого в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Этот лазер состоит из нанопроводников, упорядоченных особым способом на поверхности кремниевого основания и при его помощи становится возможным создание электронно-фотонных компонентов, которые в будущем будут обеспечивать высокоскоростную и эффективную обработку информации при помощи света.

Начиная с самого начала эры компьютеров количество транзисторов и вычислительная мощность микропроцессоров удваивалась в среднем каждые 18 месяцев. Около 50 лет назад соучредитель компании Intel Гордон Мур представил такие темпы развития вычислительной техники в виде закона, получившего его имя. И этот закон неукоснительно соблюдался вплоть до последних нескольких лет.

Но миниатюризация электронных компонентов постепенно приблизилась к пределу, определяемому некоторыми законами физики. "Современные транзисторы и так уже имеют размеры в несколько нанометров. Дальнейшее сокращение этих размеров сопряжено с множеством проблем и поэтому безумно дорого" - рассказывает профессор Джонатан Финли (Jonathan Finley), директор Института имени Уолтера Шоттки, - "Дальнейшее увеличение вычислительной мощности микропроцессорной техники возможно только лишь в случае замены электронов фотонами, частицами света".

У технологий передачи информации при помощи света имеется огромный потенциал для "ломки барьера", препятствующего дальнейшему увеличению быстродействия электроники. На белом свете уже существуют первые опытные образцы кремниевых фотонных чипов, однако такие чипы имеют один существенный недостаток, для их работы требуется подача света от внешнего источника, лазера. Однако, для того, чтобы использование таких чипов стало практичным, требуется наличие в их составе собственного эффективного и миниатюрного источника света, интегрированного на поверхность кристалла.

В настоящее время многие исследовательские группы ведут интенсивные исследования, связанные с разработкой нанолазеров различных типов и ученым из TUM удалось преуспеть в этом деле. Разработанный ими нанолазер полностью подходит для его интеграции в структуру кремниевых чипов и ученые сейчас ожидают скорейшего рассмотрения их патентной заявки.

Процесс выращивания структур из полупроводников III-V группы на кремнии требует проведения большого количества сложных экспериментов. "У этих материалов имеются совершенно различные параметры кристаллической решетки, в том числе и коэффициент теплового расширения. И сопряжение этих материалов является весьма сложной задачей" - рассказывает Джонатан Финли, - "К примеру, попытки выращивания элементов из арсенида галлия прямо на кремнии приводят к появлению большого количества дефектов".

Исследователи из TUM решили проблему совместимости материалов весьма изобретательным способом, установив отдельные нанопроводники в специально подготовленные для них места на кремнии, площадью в несколько квадратных нанометров. При этом, в нанопроводниках из арсенида галлия (GaAs) абсолютно не возникало никаких дефектов. Но нанопроводник, вертикально установленный на кремниевой подложке, еще не является полноценным лазером. Для этого требуется, чтобы фотоны света могли неоднократно отразиться от концов нанопроводника, что позволяет усиливать когерентный свет.

"Граница между арсенидом галлия и кремнием не обладает достаточной способностью к отражению света. Поэтому нам пришлось организовать дополнительное зеркало, слой из диоксида кремния, толщиной 200 нанометров, который был предварительно напылен на поверхность кремния" - пишут исследователи, - "На поверхности этого зеркального слоя были созданы крошечные отверстия, в которых при помощи процесса эпитаксии атом за атомом были выращены вертикальные нанопроводники".

В настоящее время созданный новый нанолазер из арсенида галлия способен вырабатывать инфракрасный свет определенной длины волны при помощи внешнего импульсного возбуждения. Но в будущем исследователи будут пытаться изменить длину волны лазера и другие параметры, которые позволят увеличить стабильность работы этого микроскопического устройства. Кроме этого, будет проведена работа, направленная на использование в этом лазере постоянного электрического возбуждения, единственного метода возбуждения лазера, подходящего для использования в пределах кристалла чипа.