Все меньше, быстрее, дешевле — с начала компьютерной эры производительность процессоров удваивалась в среднем каждые 18 месяцев. Уже 50 лет назад соучредитель Intel Гордон Э. Мур предсказал такой поразительный рост производительности. И закон Мура, кажется, сохраняется и по сей день.
Но миниатюризация электроники сейчас достигает своих физических пределов. «Уже сегодня транзисторы имеют размер всего несколько нанометров. Дальнейшее сокращение обходится ужасающе дорого», — говорит профессор Джонатан Финли, директор Института Уолтера Шоттки в TUM. «Улучшение характеристик возможно только за счет замены электронов фотонами, то есть частицами света».Фотоника — серебряная пуля миниатюризацииПередача и обработка данных с помощью света может разрушить барьеры современной электроники.
Фактически, первые фотонные чипы на основе кремния уже существуют. Однако источники света для передачи данных должны быть прикреплены к кремнию в сложных и сложных производственных процессах. Таким образом, исследователи всего мира ищут альтернативные подходы.
Ученые из Мюнхенского технического университета преуспели в этом начинании: доктор Грегор Коблмюллер из отдела полупроводниковых квантовых наносистем в сотрудничестве с Джонатаном Финли разработал процесс нанесения нанолазеров непосредственно на кремниевые чипы. Патент на технологию находится на рассмотрении.Выращивание полупроводника III-V на кремнии требует упорных экспериментов. «Эти два материала имеют разные параметры решетки и разные коэффициенты теплового расширения.
Это приводит к деформации», — объясняет Кобльмюллер. «Например, обычный планарный рост арсенида галлия на поверхности кремния, следовательно, приводит к большому количеству дефектов».Команда TUM решила эту проблему гениальным способом: разместив нанопроволоки, которые свободно лежат на кремнии, их отпечатки составляют всего несколько квадратных нанометров. Таким образом, ученые смогли предотвратить появление дефектов в материале GaAs.
Атом за атомом в нанопроволокуНо как превратить нанопроволоку в лазер с вертикальным резонатором?
Чтобы генерировать когерентный свет, фотоны должны отражаться от верхнего и нижнего концов провода, тем самым усиливая свет, пока он не достигнет желаемого порога для генерации.Чтобы выполнить эти условия, исследователям пришлось разработать простое, но изощренное решение: «Граница раздела между арсенидом галлия и кремнием недостаточно отражает свет. Таким образом, мы построили дополнительное зеркало — слой оксида кремния толщиной 200 нанометров, который мы испарили. на кремний », — объясняет Бенедикт Майер, докторант группы, возглавляемой Коблмюллером и Финли. «Крошечные дырки могут быть вытравлены в зеркальном слое. С помощью эпитаксии полупроводниковые нанопроволоки могут быть выращены атом за атомом из этих дырок».
Только когда проволока выступает за поверхность зеркала, она может расти в поперечном направлении — до тех пор, пока полупроводник не станет достаточно толстым, чтобы позволить фотонам струиться вперед и назад, обеспечивая стимулированное излучение и генерацию. «Этот процесс очень элегантен, потому что он позволяет нам размещать лазеры с нанопроволокой непосредственно на волноводах в кремниевом чипе», — говорит Коблмюллер.
Фундаментальные исследования на пути к приложениямВ настоящее время новые нанопроволочные лазеры на арсениде галлия излучают инфракрасный свет с заданной длиной волны и при импульсном возбуждении. «В будущем мы хотим изменить длину волны излучения и другие параметры лазера, чтобы лучше контролировать стабильность температуры и распространение света при непрерывном возбуждении внутри кремниевых чипов», — добавляет Финли.Команда только что опубликовала свои первые успехи в этом направлении. И они твердо нацелены на свою следующую цель: «Мы хотим создать электрический интерфейс, чтобы мы могли управлять нанопроводами с помощью электрического инжекции, а не полагаться на внешние лазеры», — объясняет Коблмюллер.
«Эта работа является важной предпосылкой для разработки высокопроизводительных оптических компонентов в компьютерах будущего», — резюмирует Финли. «Мы смогли продемонстрировать, что производство кремниевых чипов со встроенными нанопроволочными лазерами возможно».
