Фотоника широко распространена практически во всех аспектах повседневной жизни - от смартфонов и экранов до освещения и медицинских приборов. И хотя кремний не является идеальным фотонным материалом (например, лазеры не могут быть построены из кремния), многие факторы сделали его основным кандидатом для применений, требующих большого количества фотонных устройств.
Новый материал Nature рассказывает о прорыве в разработке наноструктурныех сплавов на основе кремния.
Выход кремниевой фотоники в фазу промышленного освоения произошел стремительно. Эта технология могла еще долгие годы оставаться на стадии научных исследований, если бы не внезапный рост популярности облачных услуг.
Электронные и фотонные технологии изменили нашу жизнь - от вычислительной техники и мобильных устройств до информационных технологий и Интернета.
Большинство кремниевых нанотехнологий, которые позволяют использовать наши процессоры, память компьютера, коммуникационные чипы и датчики изображения, основаны на объемных кремниевых подложках - экономически эффективном решении с обширной цепочкой поставок, но с существенными ограничениями для интеграции фотонных функций.
Кремний - потрясающий материал для электроники. Его полезные электронные свойства, высокая распространенность, низкая стоимость и отличная технологичность помогли стимулировать революцию в кремниевой технологии: разработку кремниевых чипов массового производства, которые позволяют интегрировать вычислительные возможности практически в любое устройство. Но, увы, кремний является неэффективным поглотителем и излучателем света, мешающим его использованию во многих приложениях фотоники.
Отсутствие полезных оптоэлектронных возможностей у кремния связано с его электронными свойствами - он называется полупроводником с непрямой запрещенной зоной.
О развитии технологии оптической передачи данных на межпроцессорном уровне, часто именуемой «кремниевой фотоникой» (silicon photonics), говорили давно. Однако очень долго все разработки ограничивались только уровнем научных и исследовательских проектов.
Оптоэлектронная интеграция. Методика интеграции электронных и фотонных устройств на одном кремниевом микрочипе. Авторы добавили отдельные участки (островки) диэлектрического материала диоксида кремния в объемную кремниевую подложку - для простоты здесь показан один островок. Затем они нанесли тонкую пленку поликристаллического кремния сверху. Фотонные устройства и электронные устройства, известные как транзисторы, были изготовлены из этой пленки; первый в области кремний-на-изоляторе и последний в объемном кремнии.
Лазеры на основе кремния остаются несбыточной мечтой даже после десятилетий интенсивных исследований. Вместо этого лазеры обычно изготавливаются с использованием «составных» полупроводников, которые включают дорогостоящие элементы, такие как индий или галлий. Компоненты, используемые для поглощения или испускания света в доступных в настоящее время схемах кремниевой фотоники, также в основном выполнены из сложных полупроводников и обычно связаны с кремнием или используются вне кристалла.
Несколько поколений ученых пытались преобразовать кремний и кремнийсодержащие сплавы в материалы, пригодные для оптоэлектроники (материалы оптоэлектронного качества), изменяя структуру электронных зон кремния различными способами. Идея состояла в том, что наличие периодического электрического потенциала в полупроводнике с непрямой запрещенной зоной может превратить его в полупроводник с прямой запрещенной зоной.
Вторая «кремниевая революция»
До настоящего времени лучшим примером этого подхода было производство полупроводника с псевдопрямой запрещенной зоной (который поглощает и излучает свет более эффективно, чем полупроводники с непрямой запрещенной зоной, но менее эффективно, чем полупроводники с прямой запрещенной зоной), в специальном типе кремния - сплав германия. Это было достигнуто путем чередования атомных слоев, имеющих различный состав атомов, но полученный материал все еще не мог достаточно эффективно поглощать или излучать свет.
Спустя почти три десятилетия был найден другой подход к пррблеме. Вместо того, чтобы модифицировать атомный потенциал чередующимися слоями различного состава, чередуют два типа атомной упаковки в германии и в кремниево-германиевых сплавах. Это меняет симметрию кристаллических решеток материалов с кубической формы на гексагональную.
Что наиболее важно, гексагональный германий ведет себя как полупроводник с прямой запрещенной зоной оптоэлектронного качества. Кроме того, путем легирования гексагонального германия различными количествами кремния, они обнаруживают, что могут настраивать энергию фотонов, испускаемых из полученных материалов, от 0,3 до 0,67 электронвольт. Эти энергии излучения чрезвычайно важны для технологий химического зондирования и оптической связи.
Вся эта работа стала возможной благодаря производству материалов в форме нанопроволок, нитевидных кристаллов, диаметр которых составляет от нескольких до нескольких сотен нанометров. Проще говоря, высокое отношение поверхности к объему нанопроволоки обеспечивает образование метастабильных кристаллических фаз, таких как гексагональный кремний или германий.
Структура нанопроволоки также предлагает еще одно преимущество: она заставляет свет взаимодействовать с материалом нанопроволоки таким образом, который идеально подходит для фотонных приложений . Например, форма нанопроволоки может быть разработана для обеспечения эффективного поглощения света и предотвращения захвата света в наноструктуре внутренним отражением. Нанопроволоки потенциально могут также использоваться в детекторах света для сверхбыстрого сбора носителей заряда, полученных из входящих фотонов, эффект, который может быть чрезвычайно полезным для высокоскоростной связи.
Открытие может привести к разработке первого лазера на кремниевой основе или использоваться для создания детекторов среднего инфракрасного света, которые будут совместимы с кремниевой технологией комплементарного металл-оксид-полупроводник (КМОП), которая лежит в основе большинства компьютерны схем.
В более широком смысле, разработка сплавов на основе кремния, обладающих оптоэлектронной функциональностью, может вызвать вторую революцию в кремниевой технологии, на этот раз в кремниевой фотонике.
