Как «вырастить» лазер прямо на микросхеме

В рамках программы DARPA под названием Electronic-Photonic Heterogeneous Integration (E-PHI) ученые успешно интегрировали миллиарды излучающих свет точек на кремниевую основу, получив в результате работающий лазер. Прорыв, достигнутый исследователями из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, сделает возможным производство недорогих и надежных микросистем, производительность которых превосходит соответствующие параметры современных технологий.
 
Работа военных систем, таких как радары, средства связи, визуализации и системы датчиков, полностью зависит от множества микроэлектронных устройств. Их разнообразие обычно требует выбора печатных плат, материалов для их изготовления в каждом конкретном случае и необходимых производственных процессов — такой подход препятствует интеграции микроэлектронных устройств в единый производственный процесс. Интеграция этих технологий — так сложилось исторически — требует объединения одних микрочипов с другими, что привносит в процесс значительные ограничения пропускной способности и увеличение величины задержки в сравнении с микросистемами, интегрированными на одном чипе.
 
Программа E-PHI была запущена в 2011 году с целью интеграции фотонных микросистем с высокоскоростной электроникой в одном кремниевом микропроцессоре. Хотя многие фотонные компоненты сегодня могут наноситься прямо на кремниевую подложку, создание эффективных лазерных источников на кремнии остается весьма сложным процессом. Традиционный подход к добавлению лазеров включает отдельное изготовление компонентов лазерной системы на дорогостоящих подложках, которые затем приклеиваются к кремниевым чипам. Такой общепринятый способ склеивания требует чрезвычайной точности и времени. что влияет на конечную стоимость производства.
 
В статье, опубликованной в Applied Physics Letters, инженеры из Калифорнийского университета описали возможность «выращивания» или создания последовательных слоев арсенида индия прямо на кремниевой пластине для формирования миллиардов излучающих свет элементов, известных как «квантовые точки». Этот метод интегрирования электронных и фотонных интегральных схем на общей силиконовой основе сулит отказ от склеивания пластин и может применяться в военной и гражданской электронике — там, где предъявляются особые требования к размеру, весу, энергопотреблению и сборке.
 
По словам руководителя программы Джоша Конвея (Josh Conway), ожидается, что успехи, связанные с прототипом, позволят улучшить производительность и снизить размеры систем в сравнении с имеющимися передовыми технологиями: «На кремний можно легко интегрировать не только лазеры, но и другие компоненты, что открывает возможности к созданию более совершенных фотонных интегральных схем с функциональностью, превосходящей современных уровень».
 
Группе исследователей из Калифорнийского университета также удалось преодолеть, так называемое «несоответствие решеток» — общую проблему, связанную с попытками нанести некремниевые лазерные компоненты на кремниевую основу. Ученым удалось доказать, что параметры лазеров на кремнии сравнимы с созданными посредством традиционно используемых способов. Полученные результаты исследования будут использоваться в разработке других фотонных компонентов, таких как оптические усилители, модуляторы и детекторы.