Skoltech-forskare och deras kollegor från RAS Institute for Physics of Microstructures, Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, ITMO University, Lomonosov Moscow State University, och A.M. Prokhorov General Physics Institute har hittat ett sätt att öka fotoluminescensen i kisel, den notoriskt dåliga sändaren och absorbatorn av fotoner i hjärtat av all modern elektronik. Denna upptäckt kan bana väg för fotoniska integrerade kretsar, höja deras prestanda. Uppsatsen publicerades i tidskriften Laser och fotonik recensioner .

"Naturligt urval" inom halvledartekniken har under nästan 80 år lett till att kisel framstår som det dominerande materialet för chips. De flesta digitala mikrokretsar skapas med CMOS-teknik (CMOS), som står för komplementär metall-oxid-halvledare. Ändå har tillverkare träffat en vägg på väg att öka sin prestanda ytterligare:värmeavgivning på grund av hög densitet av element i CMOS-kretsar.

En möjlig lösning är att minska värmegenereringen genom att byta från metalliska anslutningar mellan element i mikrokretsar till optiska:till skillnad från elektroner i ledare, fotoner kan resa enorma avstånd i vågor med minimala värmeförluster.

"Övergången till CMOS-kompatibla fotoniska integrerade kretsar kommer också att göra det möjligt att avsevärt öka informationsöverföringshastigheten inom ett chip och mellan enskilda kretsar i moderna datorer, gör dem snabbare. Tyvärr, kisel självt interagerar svagt med ljus:det är en dålig emitter och en dålig absorberare av fotoner. Därför, att tämja kisel för att effektivt interagera med ljus är en viktig uppgift, "Sergey Dyakov, senior forskare vid Skoltech och uppsatsens första författare, säger.

Dyakov och hans kollegor har lyckats förbättra kiselbaserad fotoluminescens med germaniumkvantprickar och en specialdesignad fotonisk kristall. De använde en resonator baserad på bundna tillstånd i kontinuumet, en idé lånad från kvantmekaniken:dessa resonatorer skapar en effektiv instängning av ljus inuti dem eftersom symmetrin hos det elektromagnetiska fältet inuti resonatorn inte motsvarar symmetrin hos de elektromagnetiska vågorna i det omgivande rymden.

De valde också germanium nanoöar som en källa till luminescens, som kan bäddas in på önskad plats på ett silikonchip. "Användningen av bundna tillstånd i kontinuumet ökade luminescensintensiteten med mer än hundra gånger, " Dyakov säger, noterar att det kan leda oss till CMOS-kompatibla fotoniska integrerade kretsar.

"Resultaten öppnar nya möjligheter för att skapa effektiva strålkällor baserade på kisel, inbyggd i modern mikroelektroniks kretsar med optisk signalbehandling. Det finns för närvarande massor av grupper som arbetar med att skapa lysdioder baserade på sådana strukturer och principerna för deras koppling med andra element på ett optoelektroniskt chip, Professor Nikolay Gippius, chef för Nanophotonics Theory Group vid Center of Photonics and Quantum Materials på Skoltech, säger.