Разработан эффективный лазер для кремниевых чипов
Ученые давно ищут пути интеграции в кремниевые микросхемы лазеров, поскольку свет позволяет передавать данные быстрее, чем электрический ток. Однако сам кремний относится к непрямым полупроводникам и непригоден для использования в лазере. Вместо него для этого применяют сложные полупроводники III-V групп. По структуре кристаллической решетки они сильно отличаются от кремния, который относится к элементам четвертой (IV) группы. Поэтому лазеры для микросхем приходится изготавливать отдельно, что значительно удорожает конструкцию.
Ближе всего к решению этой проблемы подошли сотрудники исследовательского центра в Юлихе (Германия). В совместном проекте с Парижским центром нанотехнологий (C2N), французским чипмейкером STMicroelectronics и CEA-LETI Grenoble, они разработали КМОП-совместимый полупроводниковый лазер, сравнимый по эффективности с традиционными лазерами на арсениде галлия, смонтированными на кремниевой подложке.
Германий и олово - оба элемента, входящие в новый лазер, входят в ту же четвертую группу, что и кремний, поэтому интеграция может происходить прямо в процессе изготовления кремниевого чипа. Для этого в Юлихе разработан и запатентован эпитаксиальный процесс, используемый исследовательскими группами по всему миру.
"Чистый германий по своей природе является непрямым полупроводником, как и кремний. Высокая концентрация олова - то, что превращает его в прямой полупроводник для лазерного источника", - объясняет доктор Дэн Бука (Dan Buca), руководитель рабочей группы в Институте Питера Грюнберга в Юлихе (PGI-9). Именно здесь, в 2015 г. Было впервые продемонстрировано лазерное излучение для системы GeSn.
Ключом к успеху стало высокое содержание олова, намного превосходящее предел растворимости. Дальнейший рост его концентрации увеличивает рабочую температуру лазера (вплоть до 0 °С), однако при этом падает и эффективность, то есть возрастают энергозатраты на накачку.
Поэтому, ученые постарались уменьшить концентрацию олова, компенсировав это напряжением материала, что попутно существенно улучшило его оптические свойства. В новом лазере содержание олова снижено до 5% (с 14%), а требуемая плотность энергии накачки уменьшилась до 0,8 кВт/см2 (с 300 кВт/см2).
Устройство, о котором рассказывает публикация в Nature Photonics, стало первым лазером на полупроводниках IV группы, способным функционировать не только в импульсном, но и в непрерывном режиме. Оно демонстрирует реальность перспективы получения лазера с электронной накачкой для промышленных приложений, работающего при комнатных температурах. Однако пока созданная в Юлихе система возбуждается только оптическим способом и при температурах не выше -140 градусов Цельсия.
Новый лазер излучает в инфракрасном диапазоне (2-4 мкм) благодаря чему наряду с передачей данных может, в принципе, применяться в широком круге других приложений: от систем ночного видения до газовых датчиках для мониторинга окружающей среды и состояния больного.
