Ученые из Эйндховена наконец-то разработали фотонный кристалл

Краткое предисловие. Уже более 50 лет ученые бьются над созданием полупроводникового кристалла, способного испускать свет. В среде специалистов по микроэлектронике он стал своего рода "Священным Граалем". Создание такого кристалла позволило бы многократно увеличить скорость передачи сигнала внутри микросхемы, снизить тепловыделение и повысить энергетическую эффективность чипа.

И вот, наконец, ученым из Эйндховенского технологического университета (Eindhoven University of Technology, TU/e) удалось решить эту полувековую головоломку и разработать новый кремниевый сплав с гексагональной кристаллической решеткой, способный испускать свет. Гексагональная (шестиугольная) форма – это ключ к созданию в полупроводнике зоны прямого перехода (direct bandgap), которая отвечает за эмиссию фотонов.

"Основная сложность заключается в природе так называемой запрещенной зоны полупроводников," – сказал руководитель проекта TU/e Эрик Баккерс (Erik Bakkers). "Если электрон 'падает' из зоны проводимости в валентную зону, полупроводник испускает частицу света: фотон."

В традиционных полупроводниковых кристаллах с кубической решеткой зону проводимости и валентную зону разделяет запрещенная зона (indirect bandgap), поэтому испускать фотоны такие кристаллы не могут. Однако, как было показано в теории 50 лет назад, сплав кремния и германия с гексагональной решеткой может образовывать зону прямого перехода. Вся хитрость заключалась в создании такого сплава.

Реализовать эту идею на практике было невозможно до появления нанотехнологий: нанотрубок и нанопроволоки. С их помощью команде голландских ученых в 2015 г. удалось создать гексагональный кристалл путем выращивания нанопроволоки из инородного материала и использования ее в качестве вспомогательного каркаса для гексагонального кристалла с германиевой оболочкой.

"Мы смогли заставить атомы кремния образовать гексагональную структуру с помощью гексагонального шаблона из нанопроволоки, на который они наросли," – сказал Эльхам Фадали (Elham Fadaly), один из авторов научного доклада о данной работе, опубликованного в журнале Nature.

Теперь ученым нужно разработать совместимый с кремниевой структурой лазер. По словам Баккерса, такой лазер может быть создан до конца этого года.

"Если все пойдет гладко, мы сможем создать лазер на основе кремния в 2020 году," – сказал он. "Это позволит осуществить тесную интеграцию оптического функционала с основной электронной платформой, что, в свою очередь, открывает перспективы развития технологий оптической коммуникации на уровне микросхем и создания доступных химических сенсоров, работающих на основе спектроскопии."

Поскольку фотоны, в отличие от электронов, не сталкиваются с электрическим сопротивлением и имеют меньшие потери в проводящей среде, использование их для передачи сигнала на уровне микросхемы позволит существенно снизить энергопотребление и тепловыделение. Более того, фотонные кристаллы будут обеспечивать в 1000 раз большую по сравнению с обычными полупроводниками скорость передачи сигнала внутри чипа и от чипа к чипу. Эта перспективная технология может применяться во многих практических областях, например, в лазерных радиолокаторах беспилотных транспортных средств и в химических сенсорах, используемых в медицинской и пищевой отраслях.