В целях повышения скорости и качества работы микроэлектронной техники

Новый материал обладает лучшими излучательными свойствами по сравнению с обычным кубическим кремнием и может быть успешно применён в оптоэлектронике и фотонике нового поколения, что станет шагом на пути достижения скорости света при передаче данных.

Группой учёных Университета Лобачевского получен новый по своей структуре материал для применений в оптоэлектронике и фотонике нового поколения. Этот материал представляет собой одну из гексагональных модификаций кремния, которые привлекают внимание исследователей и разработчиков во всем мире в связи с их лучшими излучательными свойствами по сравнению с обычным кубическим кремнием, традиционно используемым в микроэлектронном производстве.

В настоящем исследовании показана возможность создания светоизлучающих структур непосредственно в кремнии, основном материале современной электроники. Это значит, что наука стала еще на один шаг ближе к созданию сверхбыстрых интегральных схем, в которых передача сигнала (данных) будет осуществляться со скоростью света.

Основным методом исследования является оригинальная технология создания данного материала, которая базируется на имплантации ионов инертных газов в диэлектрическую пленку на кремнии – ионная имплантация, с целью создания механических напряжений, релаксация которых при высокотемпературном отжиге приводит к фазовому переходу в подложке кремния на границе со слоем диэлектрика. Таким образом, в исходной подложке кремния образуется приповерхностный слой новой фазы, который может быть использован в оптически активных элементах интегральных схем.

По словам одного из ученых, заведующего лабораторией НИФТИ ННГУ Алексея Михайлова, проблема поиска светоизлучающих материалов, совместимых с традиционными кремниевыми технологиями, особо остро встала в последнее десятилетие в связи с необходимостью дальнейшего увеличения быстродействия интегральных схем, которое в стандартном их исполнении лимитируется скоростью передачи электрических сигналов внутри схемы по металлическим проводникам.

«Одним из наиболее перспективных подходов к преодолению этого ограничения считается использование подходов оптоэлектроники, когда электрические сигналы заменяются оптическими. К сожалению, пока нет технологий, позволяющих создавать интегральные схемы на основе кремния, в которых передача данных будет осуществляться со скоростью световых сигналов», – отметил Алексей Михайлов.

Нижегородскими учеными синтезированы слои в кремнии, которые смогут выступить в роли оптически активной среды. Благодаря взаимодействию экспериментаторов, инженеров и теоретиков, были детально исследованы условия синтеза, оптические свойства и электронная структура данных слоев.

Ученые много лет работают над созданием новых подходов в электронике, а в частности, изучением возможности получения оптоэлектронных интегральных схем для приборов нового поколения. Современное производство чипов для компьютеров осуществляется на кремнии. Этот полупроводник является наиболее распространенным в земной коре, и технология его производства хорошо отработана - является наиболее дешевой. Для увеличения скорости передачи данных в чипе производители полупроводниковых приборов рассматривают возможность в качестве передающего сигнала использовать свет. Для этого необходимо разместить на чипе светоизлучающие структуры. Но кремний является неэффективным излучателем света в силу своей электронной структуры. Поэтому необходим поиск светоизлучающих материалов совместимых с кремниевыми технологиями.

Как отмечает исследователь Алена Никольская, младший научный сотрудник лаборатории физики и технологии тонких пленок НИФТИ: «Ученые всего мира соревнуются в поиске таких материалов и технологий, позволяющих получить желаемые светоизлучающие структуры на кремнии, но, к сожалению, до сегодняшнего момента нет достаточно эффективных и дешевых технологий, позволяющих достигнуть хорошего результата».

Ученые Университета Лобачевского показали возможность с помощью традиционных методов и технологий значительно улучшить светоизлучающие свойства кремния за счет изменения его структуры.

«В рамках данной работы впервые в мире с помощью ионной имплантации получена гексагональная модификация кремния фазы 9R и выявлена связанная с ней полоса излучения в инфракрасной области спектра. Этот результат особенно важен, так как данная полоса находится в области прозрачности кремниевых световодов», – подчеркнул Алексей Михайлов.

Таким образом, работа нижегородских исследователей сможет послужить отправной точкой для создания оптоэлектронных интегральных схем, изготавливаемых с помощью традиционных технологических операций и материалов на основе кремния.

В рамках работы планируется получение нескольких патентов, представление работы потенциальным партнерам на различных конференциях и выставках. Кроме того, данная работа получила поддержку молодежной программы «УМНИК», в рамках которой будет создана бизнес-модель. С помощью нее будет осуществляться продвижение произведенного продукта на рынок товаров оптоэлектроники.

Статья по результатам работы была опубликована в престижном журнале Applied Physics Letters (https://doi.org/10.1063/1.5052605).

peredacha dannih body