Исследователи заставили кремниевые нанопровода излучать свет, но это лишь небольшой шаг на пути к их заветной цели — кремниевому лазеру.
Свет микросхем: Кремниевая фотоника
Кремниевый нанопровод покрыт слоем диоксида кремния толщиной 5 нм и помещен на стеклянную подложку, а сверху нанесен слой серебра толщиной 100 нм.

Если бы кремний мог излучать свет, это позволило бы обойтись без медных соединений — узкого места при передаче данных между процессорными устройствами, — заменив их оптическими каналами. В отличие от фотоники на основе полупроводников группы III-V (арсенида галлия, фосфида индия и др.), для создания кремниевых оптических элементов можно использовать те же производственные процессы, что и для других компонентов чипа, снижая затраты.

Но увы — кремний никак не соглашается испускать фотоны. В отличие от того же арсенида галлия и других более «сговорчивых» полупроводников, при преодолении запрещённой зоны энергия в нем с большей вероятностью преобразуется в тепло, чем в видимый свет.

Справиться с этой трудностью помог плазмонный эффект. Свет, попадающий на границу металла и диэлектрика, может вызвать появление поверхностных плазмонов — электромагнитных колебаний, область которых ограничена зоной контакта двух материалов. Плазмонная полость на границе кремниевого нанопровода и покрытия из диоксида кремния провоцирует рекомбинацию возбужденных электронов и дырок прежде, чем их энергия упадет до более низкого уровня. При этом, как показали измерения, происходит излучение фотонов. Для перевода электронов в возбужденное состояние использовался лазер с длиной волны 458 нм, кремний излучал свет с длинами волн 470−700 нм.

Пока что квантовая эффективность системы (соотношение количества излученных фотонов к числу поглощенных) невысока — всего 1%, но разработчики надеются повысить её до 5−10% и, возможно, создать настоящий кремниевый лазер вместо источника рассеянного света.

Исследования в области кремниевой фотоники ведутся различными группами ученых, исповедующих разные подходы к проблеме. Например, компания Intel ведет разработку излучателей, работающих в инфракрасном диапазоне, так как кремний непрозрачен для видимого света (хотя с другой стороны, волноводы, рассчитанные на меньшую длину волны, по размерам будут сопоставимы с другими элементами микросхем). Пока что специалисты Intel считают наиболее приемлемым для практических задач вариантом гибридную систему.

По сообщению IEEE Spectrum