Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
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.
(Image: Christine Daniloff)

Германиевый лазер совершает революцию в физике

Ключевые слова:  германий, лазер, непрямозонный полупроводник

Опубликовал(а):  Клюев Павел Геннадиевич

10 февраля 2010

Германиевый лазер совершает революцию в физике

CAMBRIDGE,Mass., Feb. 4, 2010 – Лазер на основе германия, первый в своем роде способный излучать в оптическом диапазоне и используемых в телекоммуникациях, продемонстрировали исследователи Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology (MIT)).

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)).




Комментарии
"результат легирования германия фосфором получается при концентрации последнего на уровне 1020 атомов на кубический сантиметр. Добавив всего 1019 атомов на кубический"
Может быть это 10 в 20 степени? А за то как контролируемо засадить 1019 или 1020 атомов примеси среди других 10000000000000000000000 атомов германия в куб. сантиметре можно и отдельную нобелевку выдать.
Излучательные и безизлучательные переходы существуют как в прямозонных, так и в непрямозонных материалах - вопрос в их сравнительной вероятности.
Если германий остаётся непрямозонным, то его эффективность по излучательным межзонным переходам весьма мала в сравнении с GaAs.
Если например уменьшать ширину зоны, то линия межзонного излучения поползёт дальше в ИК (0,6эВ=2мкм, 0,5эВ=2,5мкм), это означает, что улавливать это лазерное излучение надо будет тоже примерно таким же материалом. (кремний наверное не подойдёт, т.к. поглощение далее 1,1мкм мало).
Чем физика лазера новее обычной классической физики (в смысле той физики что описана учебниках Ландау и их современников, написанных ещё до моего рождения)?
Коваленко Артём, 12 февраля 2010 20:30 
Полностью согласен с предыдущими замечаниями.
Хочу только добавить - если уж взялись за перевод, сделайте его удобочитаемым (можно в крайнем случае примечания переводчика вставлять). Мне содержание заметки слегка раскрылось только после прочтения английской версии. Хорошо бы, конечно, оригинальную статью посмотреть.
И все равно я не понял, зачем делать красный лазер на германии. Тем более, что все давно уже сверхрешетки делают, с большим внутренним коэффициэнтом вывода.
Клюев Павел Геннадиевич, 15 февраля 2010 21:18 
Уважаемый Артём Евгеньевич!Спасибо за замечание по поводу концентрации носителей. Действительно, это моя техническая оплошность при переводе текста((( На будущее учту и буду подходить более внимательно)
Что же касается Ваших теоретических замечаний, то я старался придерживаться текста оригинала. Если бы там было сказано о бОльшей вероятности безызлучательных переходов в непрямозонных проводниках, я бы так и написал, но увы этого там скзано не было. Возможно, авторы статьи посчитали за нужное в некотором роде "упростить статью", так сказать умолчать о конечной вероятности перехода... Их право))) Как и “The laser is just totally new physics,” что сказал Lionel Kimerling, the Thomas Lord Professor of Materials Science and Engineering, под руководством которого и велись исследования.
Спасибо за замечания!)))
Клюев Павел Геннадиевич, 15 февраля 2010 21:21 
Уважаемый Коваленко Артем! Попробую учесть Ваши замечания касательно удобочитабельности))) Быть может, в тексте перевода и присутствуют к.л. неточности, но эт дело житейское как говорил Карлсон))) что и и на будущее себе на ус намотаем)))
Л В А, 01 марта 2010 21:08 
Где-то лет 10 назад рисовал для израильтян 3D скетч фотонной связи для тысяч элементов. Т.е. тогда это были однобитные, потом вроде 4-битные процессоры.
Это как бы матрица процессоров на ОДНОЙ подложке и кучей, в нашем предложении микрошариков, фокусирующих для ввода в оптический канал.

Цель не говорили, насколько можно было догадаться по некоторым специфическим требованиям - синтез и первичный анализ в режиме реального времени данных с РЛС

По времени это неплохо согласуется с временем статьи об одном изобретении в области связывания процессоров.

Из более свежего, заинтересовали две статьи по сути с одного источника:
"Integrated Circuit design with nano-electro-mechanical (NEM) switch circuits"

- некий альтернативный вариант, позволяющий не впаивать светоизлучающие приборы в кремний или формировать как в данной, интересной, нанометровской статье говорится.
Более подробно можно посмотреть здесь или на русском вот тут

и особенно проект "Integrated CMOS Photonics Energy-Efficient Monolithic CMOS Photonic NEtworks for manycore Processors" - очень похож на то о чём разговаривали с Денисюком года за два до его кончины. Реализация правда не очень, для полноценной всё же нужна оптическая обработка данных в "умной" памяти и сам дизайн чипа предполагал лишь вертикальные с наклонными связи, без ных в плоскости чипа. Ну хоть кому-то пригодилось...
Как мне кажется такая вешь произвести может революцию в вычислениях с большим количеством запрашиваемых данных.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Горящая роза
Горящая роза

Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в международной конференции ACNS’2019
Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в международной конференции ACNS’2019. Тезисы доклада Быкова В.А.

Пять медалей завоевали российские школьники на Международной физической олимпиаде
Стали известны итоги 50-й Международной физической олимпиады для школьников, которая проходила в Тель-Авиве (Израиль). Российская сборная завоевала в состязаниях 4 золотые и одну серебряную медаль.

Поступление в совместный российско-китайский Университет МГУ-ППИ в Шэньчжэне
В июле 2019 года в МГУ имени М.В. Ломоносова проходит набор учащихся на программы МГУ, реализуемые в Университете МГУ-ППИ в Шэньчжэне. Поступление в совместный университет – это возможность учиться в самом быстроразвивающемся городе мира на русском языке у ведущих преподавателей МГУ по самым современным программам, получить образование мирового уровня и дипломы сразу двух университетов, овладев китайским языком. Для поступления в совместный университет не требуется владения китайским языком. Прием документов и экзамены проходят на территории МГУ. Абитуриенты имеют право поступать одновременно в МГУ имени М.В. Ломоносова и МГУ-ППИ в Шэньчжэне.

3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве
И.В.Яминский
Материалы лекции проф. МГУ, д.ф.-м.н., генерального директора Центра Перспективных технологий И.В.Яминского "3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве". 3D принтер, сканирующий зондовый микроскоп и фрезерный станок. Что общего между ними? Как конструировать их своими руками? Небольшой экскурс в практические нанотехнологии. Поучительная история о создании сканирующего туннельного микроскопа. От идеи до нобелевской премии за 5 лет. Взгляд в микромир – от атомов и молекул до живых клеток. Как взвесить массу одного атома? Вирусы и бактерии – наши друзья или враги? Медицинские приложения нанотехнологий – нанобиосенсоры для обнаружения биологических агентов.

Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники
В.А.Кецко
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. В сообщении даны материалы лекции д.х.н., в.н.с. ИОНХ РАН В.А.Кецко "Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники".

Лекции и семинары от ФНМ МГУ на Нанограде
Е.А.Гудилин
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. Ниже даны материалы лекций и семинаров представителя ФНМ МГУ проф., д.х.н. Е.А.Гудилина.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.