Uzgoj nano-lasera izravno na siliciju!

Inženjeri sa  sveučilišta  Berkeley, Kalifornija, uspjeli su pronaći način kako uzgojiti nano-lasere na samoj površini silicija. Radi se o postignuću koje bi moglo potaknuti razvoj nove vrste bržih i učinkovitijih mikroprocesora poput optoelektroničkih čipova za biokemijske senzore. Članak vezan uz ovo istraživanje objavljen je 6. veljače na naprednom internetskom izdanju znanstvenog časopisa Nature Photonics. “Rezultati ovog istraživanja utječu na cijeli spektar znanstvenih područja: od fizike materijala, preko tehnologije tranzistora, nauke o laserima, optoelektronike pa sve do fizikalne optike”, navodi voditeljica istraživanja, Connie Chang-Hasnain, profesorica elektrodinamike i računarstva na sveučilištu Berkeley. Ne bi li zadovoljili zahtjevima za sve boljim radnim odlikama elektroničkih uređaja, znanstvenici su se dali u potragu za boljim načinom iskorištenja čestica svjetla, koje naime mogu prenositi neusporedivo više podataka u usporedbi s električnim signalima. Smatra se da bi optička djelovanja mogla biti rješenje problema uskog grla u komunikaciji unutar i između računalnih procesora.

Pošto silicij, inače osnovni materijal moderne elektronike, vrlo slabo emitira svjetlost te je kao takav loš odabir za izradu svjetlosnih elektroničkih komponenti, inženjeri su se okrenuli drugoj vrsti materijala poznatoj kao III-V poluvodiči. Najpoznatije elektroničke komponente koje imaju svojstvo emitiranja svjetlosti su LED-diode (engl. light-emitting diode) i laseri. Ipak, znanstvenici ističu probleme prilikom pokušaja spajanja III-V poluvodiča i poluvodiča zasnovanog na siliciju, u svrhu proizvodnje optoelektroničkog procesora. Jedan od razloga je i nespojivost atomskih struktura dva materijala. “Implementacija III-V sloja na bazu od silicija moguća je kao i spajanje dvaju neodgovarajućih dijelova slagalice. Moguće je, ali obavezno dolazi do oštećenja materijala”, objašnjava Roger Chen, glavni autor objavljenog članka, inače student diplomskog studija elektrotehnike i računarstva na sveučilištu Berkeley. Štoviše, cijela industrija proizvodi poluvodiče zasnovane na siliciju pa je, iz čisto praktičnih razloga, potrebno integrirati proizvodnju III-V uređaja u postojeću infrastrukturu.

“Masovna proizvodnja elektroničkih uređaja zasnovanih na siliciju neće se moći lako promijeniti, kako iz ekonomskih tako i iz tehničkih razloga. Kritično je razviti sustav proizvodnje III-V poluvodiča koji će se moći implementirati u postojeći sustav proizvodnje”, ističe Chang-Hasnain. “Jedan od problema proizvodnje III-V poluvodiča uključuje visoke temperature (700 stupnjeva Celzijusa ili više). Pri tako visokoj temperaturi dolazi do razaranja elektroničkih sklopova. Druge metode implementacije su također bile neuspješne.” Znanstvenici na sveučilištu Berkeley pronašli su način kako zaobići ovo ograničenje. Uspjeli su ‘uzgojiti’ nano-stupove idij-galij-arsenida, jednog od III-V materijala, na površini od silicija i to na relativno niskoj temperaturi od 400 stupnjeva Celzijusa. “Rad na nano-dimenzijama omogućio je uspješan razvoj vrlo kvalitetnih III-V materijala na temperaturi koja ne utječe na funkcionalnost silicija”, objašnjava Chen. Znanstvenici su koristili metalno-organske pare za uzgoj nano-stupova na bazi od silicija. “Ova bi se tehnika mogla koristiti i u masovnoj proizvodnji. Naime, ista se tehnika koristi u komercijalnoj proizvodnji solarnih ćelija u formi tankih folija te u proizvodnji LED-dioda”, nastavlja Chang-Hasnain. Takav nano-stup može, na sobnoj temperaturi, emitirati lasersku svjetlost u infracrvenom spektru (valna duljina IC je otprilike 950 nanometara). Zahvaljujući heksagonskoj kristalnoj strukturi, ovi nano-stupovi mogu efikasno hvatati svjetlost.

Svjetlost se unutar kristala cirkulira spiralno, a može se amplificirati putem istog optičkog mehanizma. Znanstvenici ističu da bi ovaj jedinstveni pristup ‘uzgoja’ nano-lasera izravno na površini silicija, mogao potaknuti razvoj izrazito učinkovite fotonike zasnovane na siliciju. Zahvaljujući izrazito malim dimenzijama, dimenzije stranica manje su od jedne valne duljine, ovi se nano-stupovi mogu gusto naslagati na majušne površine, a zahtijevaju izuzetno malo energije za rad. “Na kraju, ova bi tehnika mogla utrti put razvoju nano-fotonskih uređaja poput lasera, fotodetektora, modulatora i solarnih ćelija, integriranih na samoj površini procesora”, navodi Chen. “Ovo je prva sveobuhvatna integracija III-V nano-lasera na silicijske procesore, procesom kompatibilnim sa CMOS (eng. complementary metal oxide semiconductor) tehnologijom, koja se danas koristi za izradu integriranih strujnih krugova”, ističe Chang-Hasnain. “Ovo bi istraživanje moglo ubrzati optoelektroničku revoluciju u računarstvu, komunikaciji, izradi zaslona kao i u obradi optičkih signala. Nadamo se da ćemo uskoro moći poboljšati radne odlike ovih lasera, ali i da ćemo ih moći elektronički kontrolirati. Bit će to savršen spoj fotonike i elektronike.”

Izvor: University of California – Berkeley

 

Related Posts

Tags

Share This

Comments Closed