Группа инженеров из Университета Калифорнии в Беркли разработала технологию выращивания нанолазеров прямо на кремниевой поверхности, что позволит в будущем начать производство новых и более эффективных микропроцессоров, а также более мощных биомедицинских сенсоров, использующих оптоэлектронные чипы. Подробно о своей разработке исследователи намерены рассказать в предстоящем выпуске научного журнала Nature Photonics.
«Наши результаты связаны с широким спектром научных сфер, в том числе материаловедение, оптическая физика, технологии производства лазеров и транзисторов», — говорит Конни Ченг-Хасейн, профессор электротехники калифорнийского университета.
Современные растущие требования в области электроники вынуждают исследователей искать новые материалы для схемотехники, способные работать не с электрическими сигналами, как современные чипы, а со световыми сигналами, что является более эффективным и экономичным. Оптические связи между компонентами чипа видятся производителям чипов как один из наиболее предпочтительных решений проблемы повышения производительности.
Сейчас все компьютерные микросхемы базируются на кремнии, который крайне плохо приспособлен к работе со световым излучением. В результате этого, инженеры обратились к другому классу материалов, известных как полупроводники III-V (произносится как «три-пять»), способные производить световые компоненты на базе таких элементов, как светоизлучающие диоды или лазеры.
Однако калифорнийские ученые выяснили, что объединение материала с классическим кремнием для создания оптоэлектронного чипа невозможно из-за несоответствия атомных структур двух материалов. «Выращивать полупроводники III-V на кремниевой основе — это как пытаться объединить два нестыкуемых элемента паззла. Это можно сделать, только повредив структуру обоих материалов», — говорит один из авторов исследования Роджер Чен.
Однако, по его словам, вся современная электронная промышленность настолько тесно завязана на кремнии, так что полностью отказаться от этого элемента невозможно ни технически, ни экономически. Поэтому какие-то способы по объединению кремния с оптическими компонентами все равно приходится искать. Технически провести интеграцию материалов можно доведя кремний до температуры 700 градусов, но тогда сам кремний теряет свойства и для будущих чипов его уже нельзя использовать.
В Беркли был разработан способ по интеграции материалов при температуре в 400 градусов, что позволяет на одном кремниевом кристалле размещать и оптические компоненты, правда для этого придется работать на уровне наносоединений. Секрет объединения материалов, как говорят разработчики, заключается в применении катализатора — металл-органического парового осадочного соединения, размещаемого на кремнии тонким слоем. Ранее нечто подобное применялось для производства тонкопленочных солнечных элементов и светодиодов.
В результате полученные комбинированные чипы смогли работать с оптическим компонентом — инфракрасным лазером ближнего радиуса действия с длиной волны в 950 нанометров, причем работает данная система при комнатной температуре, что важно для практического применения.