Лет через двадцать ноутбук и смартфон догонят самый производительный современный суперкомпьютер. О том, какую роль в этом сыграет кремниевая оптоэлектроника, и об успехах российских учёных в этой области рассказал директор Института физики микроструктур РАН (ИФМ РАН), профессор Захарий Красильник в своем докладе на Вавиловских чтениях.
Производительность компьютеров удваивается примерно каждые два года. Главные проблемы, с которыми сталкиваются при этом разработчики – увеличение скорости передачи данных и рост энергопотребления. Корни этих проблем лежат в электрических межсоединениях. Преодолеть «потолок» скорости могут оптические межсоединения. Оптимальным материалом для их создания многие специалисты считают кремний. Этот дешёвый полупроводник с хорошими электрическими свойствами прозрачен и имеет низкие потери, а межсоединения на его основе совместимы с КМОП-микросхемами (микросхемы на основе комплементарных структур металл-оксид-полупроводник). Рынок кремниевой микроэлектроники в 2012 году превысил четверть триллиона долларов.
Однако кремний не люминесцирует на длине волны 1,5 мкм, используемой при генерации лазерного излучения. Для решения этой проблемы учёные ИФМ РАН создали на его основе сложные наноструктуры, которые, как выяснилось, могут хорошо излучать и быть пригодными для микролазеров. Наноструктуры создаются методом молекулярно-пучковой эпитаксии (синтез полупроводниковых гетероструктур, при котором кристаллический материал выращивается на поверхности нагретой подложки в условиях сверхвысокого вакуума) с использованием различных активных сред: квантовых точек германия на кремнии, редкоземельного иона эрбия, дисилицида железа и др.
Германий люминесцирует в области около 2 мкм, кремний – в области 1,1 мкм. Твёрдый раствор GeSi способен излучать в области 1,5 мкм. Из-за свойств атомной решётки германия тонкий слой этого вещества, выращенный на поверхности кремния, будет немного сжиматься. Упругие напряжения в системе SiGe/Si приводят к тому, что послоевой рост, начиная с 3-4-го атомного слоя, сменяется ростом самоформирующихся трёхмерных наноостровков – квантовых точек. Шаг за шагом осваивая технологию роста упорядоченных массивов этих точек с заданными свойствами, сотрудники ИФМ РАН получили материал с необходимыми оптическими качествами. В результате специалисты научились создавать свето- и фотодиоды с нужными люминесцентными характеристиками, работающие, в том числе, и при комнатной температуре.
Последние мировые достижения в кремниевой микроэлектронике — кремниевая элементная база оптических межсоединений практически создана. Прогресс особенно заметен в разработке соединений между чипами с использованием гибридных лазеров. Уже созданы интегрированные передающий и приемный чипы с кремниевыми оптоэлектронными элементами со скоростью передачи информации 40 Гб/с и перспективой её увеличения до 1 Тбит/с. В 2013 году IBM начала производство процессора с комбинированными электрическими и оптическими межсоединениями, содержащими компоненты кремниевой нанофотоники. Скорость передачи данных в процессоре превышает 25 Гб/пс.
Захарий Красильник сказал, что у нас накоплен огромный потенциал в области технологии кремниевых светоизлучающих наноструктур, а значит, есть основа для кооперации как внутри страны, так и с зарубежными партнерами. Ближайшие годы обещают быть богатыми на события в области совершенствования кремниевых оптических межсоединений – нам важно не упустить свой шанс.
«ФИАН-информ»
