Ученые из Южного федерального университета (ЮФУ) создали метод, позволяющий контролировать формирование сверхтонких полупроводниковых структур на кремниевой подложке в строго определенных участках. Эта разработка обещает ускорить создание более производительных и экономичных фотонных микросхем, оптических датчиков и иных устройств нового поколения, как проинформировала ТАСС пресс-служба вуза.
Ирина Петрова
Полупроводниковая структура. Иллюстративное фото. Источник: resources.altium.com
Зависимость роста наноструктур на кремнии за счет облучения его поверхности ионами галлия
«В современной фотонике ключевой вызов — размещение наноструктур точно в тех местах, где они требуются для работы будущего прибора. Наш метод дает возможность управлять данным процессом с большой точностью без лишних промежуточных действий. Это повышает гибкость технологии, снижает ее стоимость и позволяет создавать новые фотонные компоненты прямо на кремниевых чипах», — цитирует пресс-служба слова Никиты Шандыбы, младшего научного сотрудника лаборатории эпитаксиальных технологий Передовой инженерной школы ЮФУ, одного из авторов работы.
В пресс-службе отметили, что предложенная технология базируется на локальном изменении условий роста наноструктур на кремнии за счет облучения его поверхности ионами галлия по заранее заданному шаблону.
Исследователи выяснили, что ключевым фактором, управляющим ростом, является не мощность облучения и не время последующей термической обработки, а количество ионов галлия, попавших в конкретную зону кремния. Соответственно, варьируя этот параметр, специалисты могут либо полностью блокировать, либо активизировать рост наноструктур исключительно в нужных участках.
В ходе экспериментов ученым удалось воспроизвести не только простые геометрические формы, но и наноструктуры в виде логотипа и аббревиатуры университета.
Это наглядно доказывает, что управление ростом наноструктур с помощью дозирования ионов галлия — это не грубая блокировка или стимуляция, а тонкий инструмент с высоким разрешением. Библиотека результатов облучения разной интенсивности, которую, по сути, создали ученые ЮФУ, позволяет предварительно рассчитать, как будет вести себя материал в каждой точке подложки.
Это открывает путь к созданию не просто отдельных изолированных структур, а целых массивов оптических элементов — от волноводов до микрорезонаторов — с заданными характеристиками, интегрированных в единую кремниевую схему.
Открытие исследователей ЮФУ знаменует собой важный этап на пути к практической реализации концепции кремниевой фотоники, которая долгие годы оставалась одной из самых многообещающих, но и наиболее труднореализуемых идей в микроэлектронике.
Главная сложность всегда заключалась в том, что кремний, будучи превосходным материалом для электронных схем, крайне неохотно «дружит» со светом: он неэффективно излучает фотоны и обладает рядом ограничений для создания активных оптических компонентов.
Предложенный метод ионной имплантации галлия решает эту проблему не за счет попыток изменить свойства самого кремния, а за счет создания на его поверхности идеальных «посадочных площадок» для роста кристаллических структур из других, оптически активных материалов. Это позволяет, образно говоря, «научить» кремний работать со светом, не ломая привычной и отлаженной за десятилетия производственной инфраструктуры.
Преимущества нового метода
Новый метод позволяет отказаться от сложных, многоступенчатых и затратных технологических процессов, используемых при изготовлении элементов интегральной кремниевой фотоники. В перспективе этот подход может быть применен для создания компактных лазеров, сверхчувствительных сенсоров, оптических вычислительных систем и других устройств, где необходимо совместить возможности современной электроники и фотоники на единой кремниевой платформе.
«Нашим следующим шагом в развитии этого направления станет создание действующих прототипов устройств — источника и приемника оптического излучения — на основе полученных материалов и разработанных методов. Параллельно мы работаем над интеграцией предложенных решений в стандартные технологические цепочки изготовления полупроводниковых приборов и, при необходимости, адаптируем их к условиям мелкосерийного производства», — заявил Максим Солодовник, руководитель направления и лаборатории эпитаксиальных технологий, ведущий научный сотрудник, чьи слова передала пресс-служба. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds.
Экономическая значимость разработки выходит далеко за рамки лабораторных экспериментов. Современные методы производства фотонных интегральных схем зачастую требуют прецизионного совмещения нескольких литографических слоев, сложных процессов травления и переноса структур, что многократно удорожает каждый чип.
Подход, основанный на локальном облучении ионами галлия, потенциально позволяет сократить эти этапы: один шаг ионной обработки сразу определяет карту будущих наноструктур, и дальнейший рост происходит самопроизвольно только в заданных зонах.
Если технологию удастся масштабировать до уровня промышленных пластин, это может существенно снизить порог входа для производства гибридных кремниево-фотонных устройств, сделав их доступными не только для гигантов индустрии, но и для специализированных компаний и исследовательских центров.
Особого внимания заслуживает точность и избирательность метода, продемонстрированная на примере воспроизведения сложных форм, вплоть до логотипов. Это наглядно доказывает, что управление ростом наноструктур с помощью дозирования ионов галлия — это не грубая блокировка или стимуляция, а тонкий инструмент с высоким разрешением.
Библиотека результатов облучения разной интенсивности, которую, по сути, создали ученые ЮФУ, позволяет предварительно рассчитать, как будет вести себя материал в каждой точке подложки. Это открывает путь к созданию не просто отдельных изолированных структур, а целых массивов оптических элементов — от волноводов до микрорезонаторов — с заданными характеристиками, интегрированных в единую кремниевую схему.
Перспектива и развитие метода
В среднесрочной перспективе, исходя из заявлений руководителя лаборатории Максима Солодовника, усилия команды будут сосредоточены на преодолении разрыва между фундаментальным открытием и инженерным воплощением. Создание действующих прототипов — источника и приемника излучения — станет проверкой «боевой готовности» технологии.
Если на основе предложенного метода удастся заставить кремниевый чип генерировать и детектировать свет, это будет прямая дорога к созданию полностью оптических межсоединений внутри вычислительных устройств, что может кардинально повысить их скорость и энергоэффективность, решив проблему «тепловой смерти» транзисторов.
Наконец, важным аспектом является плановая адаптация технологии к условиям мелкосерийного производства. Это означает, что ученые осознают реалии полупроводниковой индустрии, где любые инновации должны быть совместимы с существующими стандартными технологическими маршрутами (CMOS-совместимость).
Стремление «вписать» свой метод в готовую производственную цепочку делает разработку ЮФУ не просто интересной научной работой, а реальным кандидатом на внедрение в практику. Если эксперименты с прототипами подтвердят эффективность и надежность подхода, мы можем стать свидетелями зарождения нового стандарта в производстве фотонных микросхем, где кремний наконец-то займет подобающее ему место в мире света.
Еще по теме: ранее мы писали, что команда Массачусетского технологического института использует алмаз для охлаждения чипа из нитрида галлия, чтобы усовершенствовать беспроводную электронику. Усилитель превзошел по характеристикам аналогичные беспроводные устройства.