Разработка ученых ускорит переход к кремниевой фотонике

Foton4Следующим важным этапом на пути развития электроники обещает стать переход к кремниевой фотонике, когда медные проводники во внутричиповых интерфейсах уступят место оптическим каналам связи. Для этого будут использоваться полупроводниковые лазеры в инфракрасном диапазоне — для инфракрасного излучения полупроводник прозрачен. Иначе говоря, для прокладки оптических каналов связи внутри процессора не нужно будет изобретать чего-то особенного.

 

Традиционный техпроцесс CMOS для этого годится на все сто процентов. Переход на «оптику» снизит потребление процессоров (и уменьшит объемы рассеиваемого ими тепла), а также ускорит обмен данными. Проблема кроется в другом — научиться выпускать полупроводниковые лазеры в ходе обычных циклов производства полупроводников на кремниевой пластине. 

 

Сегодня наиболее перспективными для интеграции в чипы считаются полупроводниковые лазеры на квантовых точках (quantum dot laser). Такие лазеры в качестве активной среды в излучающей области используют квантовые точки. Удобство данных структур в том, что в зависимости от выбора размеров квантовой точки можно выбирать длину волны лазера и, тем самым, обеспечить уплотнение каналов передачи данных. Также лазеры на квантовых точках способны работать в расширенном диапазоне температур без ухудшения рабочих характеристик.

 

Foton

Рис.1 Общий принцип работы и строение полупроводникового лазера на квантовых точках

 

В качестве материалов для лазеров на квантовых точках принято использовать комбинации материалов из III-V групп периодической таблицы Менделеева. Это арсенид индия и арсенид галлия (InAs/GaAs). Сложным моментом в производстве подобных лазеров являлось то, что в области контакта выращиваемого лазера и кремния (в качестве подложки) возникает много дефектов. Дефекты значительно сокращают срок службы лазера и являются препятствием для внедрения технологии в массовое производство. По мнению британских ученых, этот барьер можно преодолеть с помощью специально разработанного зародышевого слоя (nucleation layer), нанесенного на кремниевую подложку для выращивания на нем полупроводникового лазера.

 

Foton1Рис.2 Изображение слоев подложек и лазера под электронным микроскопом

 

Следует отметить, что подобный подход и материалы используются во всех лабораториях мира, работающих над проблемами производства полупроводниковых лазеров. Уникальность же нового подхода в том, что впервые получен очень интересный результат. Выпущенный с использованием новых методик 1,3 мкм (1300 нм) лазер на мощности излучения 105 мВт показал свыше 100 000 часов наработки на отказ (использовалось ускоренное старение — работа на запредельных мощностях). Это больше 10 лет эксплуатации, что соответствует обычному в телекоммуникациях времени использования оборудования до модернизации.

 

Foton2

Рис.3 Изображение бездефектных слоев в сканирующем микроскопе 

 

В ходе экспериментов лазер нагревался до 120 градусов по Цельсию и оставался работоспособным. На новом этапе разработки ученые будут пытаться выращивать лазеры с разной длиной волны и изучать возможность их интеграции в полупроводниковые цепи.

 

 

 

 

По материалам http://www.3dnews.ru