Германиевый лазер совершает революцию в физике
Технологию изготовления германиевых элементов лазеров, в отличие от других используемых материалов, можно легко сопоставить технологии производства кремниевых микросхем. Эту особенность, как считают ученые, можно использовать для создания компьютеров, функционирующих на основе света, а не электронов. Более того, исследователи показали, что вопреки ранее существовавшему мнению, непрямозонные полупроводники можно использовать для создания лазеров.
«Лазер по сути – это всего лишь новая физика», - говорит Лионель Кимерлинг (Lionel Kimerling, the Thomas Lord Professor of Materials Science and Engineering), группа под руководством которого сконструировала вышеуказанный лазер.
По мере роста производительности, микросхемы требуют все больших пропускных способностей, чтобы передавать данные в память компьютера. Однако обычные электронные связи в скором времени станут абсолютно неэффективными: они требуют все больше и больше энергии для передачи данных таких больших объемов. Передача информации с помощью лазера могла бы стать гораздо более эффективной, однако она все еще требует выгодного способа совмещения оптической и электронной базы в кремниевой микросхеме.
Лазеры, используемые в современной системе связи, изготовлены из дорогих материалов, таких как арсенид галлия, например. Они требуют отдельной сборки и последующего внедрения в микросхему - процесс затратный и требующий большего времени, в отличие от их непосредственной интеграции на микросхеме. Внедрение германия в производственные процессы не является чем-то особенно новым, ведь крупные производители микросхем уже делают это, что способствует ускорению работы кремниевых микросхем.
В полупроводниковом кристалле возбужденный электрон – который получил долю энергии, чтобы преодолеть запрещенную зону – становится свободным и переходит в так называемую зону проводимости, где он может относительно свободно перемещаться по кристаллу. Но фактически электрон в зоне проводимости находится в двух состояниях. И при переходе в валентную зону он может либо излучить квант света – фотон, либо отдать свою энергию на возбуждение тепловых колебаний решетки.
В прямозонных материалах первое – фотон-излучающее – состояние характеризуется меньшей энергией, чем второе. В непрямозонных полупроводниках - наоборот. Возбужденный электрон, естественно, перейдет в состояние с меньшей энергией. Итак, в прямозонных полупроводниках, таких, как арсенид галлия, возбужденный электрон совершает излучательный переход, в непрямозонных полупроводниках, как германий, этого не происходит.
Исследователи рассмотрели два способа, для того, чтобы перевести возбужденные электроны германия в более высокоэнергетичное состояние, состояние с излучением кванта света. Первый, широко известный в физике полупроводников, - легирование, при котором в полупроводник инжектируются атомы примеси. Группа ученых пролегировала германий фосфором, имеющим пять свободных электронов, в то время как германий имеет всего четыре. «Лишние» электроны заполнили примесный уровень ниже зоны проводимости. Это позволило свободным электронам совершать переходы с излучением кванта света.
«Согласно группе теоретиков наиболее оптимальный результат легирования германия фосфором получается при концентрации последнего на уровне 1020 атомов на кубический сантиметр. Добавив всего 1019 атомов на кубический сантиметр, группа ученых получила лазерное излучение», - добавляет Кимерлинг.
Второй способ состоял в уменьшении ширины запрещенной зоны, так чтобы вероятность излучательных переходов электронов возросла. Исследователи подвергли кристалл германия деформации – «растянули» его - чтобы атомы находились на чуть большем расстоянии друг от друга, чем в обычных условиях – на подложке из кремния. И кремний, и германий осаждались при высоких температурах. Но кремний, остывая, сжимается не так сильно, как германий. Атомы германия стремятся сохранить их прежнее расположение относительно атомов кремния, что приводит к увеличению межатомного расстояния в решетке германия. Изменение относительного расположения атомов приводит к изменению энергии, необходимой для переброса электронов в зону проводимости.
«Для быстродействующих цепей германий подходит лучше всего», - говорит Тремонт Мяо (Tremont Miao), коммерческий директор «Analog Devices Semiconductor» на базе Массачусетского технологического. «Это хороший союз и хорошая комбинация. И лазерные исследования в этом направлении очень многообещающие». Однако он подчеркивает: необходимо создать более энергетически эффективный лазер, прежде чем можно будет использовать такой в средствах связи. «С другой стороны, перспектива ошеломляет, как и то, что удалось заполучить лазерное излучение в таких образцах», - говорит Мяо.
Группа ученых под руководством Кимерлинга представляет результаты своих исследований в ближайшем выпуске Optics Letters. Над работой принимали участие Jurgen Michel, Jifeng Liu, Xiaochen Sun, Rodolfo Camacho-Aguilera. Исследование осуществили на средства Инициативы мультидисциплинарного исследовательского института (Si-Based-Laser Initiative of the Multidisciplinary University Research Initiative (MURI)), и Отдела научных исследований военно-воздушных сил (Air Force Office of Scientific Research (AFOSR)).
как говорил Карлсон))) что и и на будущее себе на ус намотаем)))