Российские ученые создали уникальный материал, из которого можно сделать новый тип микросхем. Они будут способны преобразовывать световые сигналы в электронные и обратно. Сейчас из-за несовместимости фотонных и электронных элементов вычислительных машин приходится использовать специальные преобразователи. Чипы на новых принципах могут быть встроены в классические кремниевые компоненты компьютеров, что позволит создать более совершенные системы оптоволоконной связи или приборы ночного видения, работающие в инфракрасном диапазоне. По мнению экспертов, разработка отечественных специалистов даст важный практический результат в одной из наиболее актуальных сфер.
Светлый путь
Специалисты Института физики полупроводников Сибирского отделения РАН имени А.В. Ржанова получили, а ученые ЛЭТИ проанализировали свойства особых структур с фотонными нанокристаллами. Они могут стать основой для принципиально новых микросхем, способных быстро и эффективно обрабатывать световые сигналы. Это необходимо, например, в оптических системах связи, где для передачи информации используют свет. Однако проблема в том, что устройства, служащие приемниками и источниками лучей, несовместимы с кремниевыми элементами вычислительных систем в большинстве современных компьютеров, которые должны их обрабатывать. Поэтому для преобразования оптических данных в электронные приходится использовать дополнительные устройства. Ученые из Санкт-Петербурга нашли решение этой проблемы.
— Мы разработали новые полупроводниковые наноструктуры для фотоприемников и излучателей ИК-спектра. Они могут быть встроены напрямую в оптоэлектронные микросхемы, — рассказал доцент кафедры микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Дмитрий Фирсов.
Основой структуры служит недорогая кремниевая подложка. На ней сразу из нескольких химических элементов — кремния, германия и олова — «выращивают» слои материалов, которые разделены кремниевыми барьерами. Затем на поверхность наносят периодически повторяющиеся фотонные кристаллы. Это миниатюрные цилиндрообразные объекты диаметром порядка нескольких сотен нанометров, что сопоставимо с длиной волны света. Именно их применение позволяет на порядок повысить эффективность работы оптоэлектронных приборов, преобразующих электрический сигнал в оптический и обратно.
Изобретение открывает множество новых возможностей. Например, один чип с такой наноструктурой сможет при протекании электрического тока испускать инфракрасное излучение, позволяющее передавать информацию по оптоволоконному кабелю с высокой скоростью на большие расстояния. А матрица из подобных чипов будет с высокой чувствительностью регистрировать инфракрасное изображение внутри камеры ночного видения.
— Благодаря применению фотонных кристаллов существенно возрастает эффективность как генерации излучения, так и его детектирования — обратного преобразования излучения в электрический сигнал. А использование для данных целей наноструктур именно на основе соединений кремния с германием и оловом позволяет в перспективе добиться низкой себестоимости изготовления оптоэлектронных компонентов благодаря совместимости с массово применяемой и хорошо отработанной кремниевой технологией, — отметил Дмитрий Фирсов.
В перспективе такая технология может быть оперативно внедрена в промышленность, поскольку ученые используют доступные и экологичные материалы и широко распространенные производственные технологии. Разработка может найти применение в системах оптической передачи информации, а также в тепловизорах, газоанализаторах и различных других сенсорах, отметил Дмитрий Фирсов.
В первых рядах
Как показали события последних лет, отечественная промышленность проигрывает конкуренцию на рынке устройств, работающих в ИК-диапазоне, считает заведующий лабораторией радиационного контроля и твердотельной дозиметрии УрФУ Арсений Киряков. В этой связи полученные авторами проекта результаты представляются интересными и многообещающими, отметил он.
— Механизмы поглощения квантов света — одно из активно изучаемых направлений во многих мировых лабораториях, потому что их понимание может дать высокие показатели эффективности в функциональных материалах. С другой стороны, огромную важность играет именно возможность реализации имеющихся технических подходов при изготовлении в промышленных масштабах новых устройств без существенной перестройки техпроцесса, — сказал эксперт.
По мнению заведующего лабораторией перспективной солнечной энергетики Университета МИСИС Данилы Саранина, разработка российских ученых имеет важное практическое значение.
— Фактически представлено подтверждение возможности использования нового подхода на практически полезном приборе. Данная разработка потенциально может быть использована для повышения контрастности тепловизоров, сканирования местности и прочих смежных областей, — сказал Данила Саранин.
Учитывая возможность применения классических материалов для создания инновационных микросхем, работающих на новых принципах, первые устройства с фотонными кристаллами могут появиться очень скоро, резюмировал специалист.