Докладчик Волкова З. А



Скачать 39.13 Kb.
Дата29.10.2012
Размер39.13 Kb.
ТипДоклад
Кремниевая фотоника

Докладчик Волкова З.А
Конкурировать с CMOS-индустрией – это все равно, что лечь на рельсы: рано или поздно этот поезд вас переедет. Гораздо лучше вскочить в кремниевый экспресс.

Ravindra A. Athale, зав. отделом фотоники в Управлении перспективных исследований мин. обороны США
В настоящее время полупроводниковая электроника и полупроводниковые технологии настолько развиты, в них ежегодно делаются такие капиталовложения, что производительность микросхем каждые два года удваивается, и всякие попытки конкуренции с кремниевой CMOS-индустрией (CMOS - complementary metal oxide semiconductors), по мнению специалистов, обречены на провал.

Вот почему даже такие новые области как фотоника и спинтроника, отказавшись от использования электрического заряда, как носителя информации, тем не менее, не отказываются от полупроводников как материальной основы или, по крайней мере, борются за то, чтобы сделать свои устройства CMOS-совместимыми.



а) б)
Рис. 1. а) Полупроводниковые технологии позволяют растить монокристаллы высокого качества размерами в десятки сантиметров при разрешении в 45 нм

б) Закон Мура: число транзисторов в микросхемах каждые два года удваивается
В чем проблема? Почему кремний светить не может?

Естественным выходом было бы использование того же кремния как активной среды для усиления или генерации оптического излучения. Да вот беда, кремний светить не может! И причины этого фундаментальные: дело в том, что кремний – не прямозонный полупроводник.

Что это значит? Дело в том, что для того чтобы при рекомбинации электрона и дырки родился фотон, должны одновременно выполняться закон сохранения энергии и импульса. Таким образом, энергия фотона должна быть равна ширине запрещенной зоны (расстояние от дна зоны проводимости – верхняя кривая, точка A- до потолка валентной зоны – нижняя кривая, точка B - на диаграммах в координатах (импульс; энергия) электрона (рис. 2 а, б)). Импульс фотона в случае прямозонного полупроводника может быть близок к нулю (дно зоны проводимости и потолок валентной зоны находятся друг над другом). В случае непрямозонного полупроводника дно зоны проводимости и потолок валентной зоны значительно смещены друг относительно друга по оси импульсов. Это означает, что при рекомбинации электрона и дырки фотон должен унести с собой значительный импульс, такой который он в принципе унести не может, ибо фотон не верблюд и его масса покоя равна нулю:

;- импульс мал! 

png" name="graphics2" align=bottom width=251 height=255 border=0>
A

B

B

A


а) прямозонный полупроводник б) непрямозонный полупроводник

Рис. 2
Арсенид галлия GaAs или фосфид индия InP являются прямозонными полупроводниками (вот почему все полуроводниковые лазеры и диоды основаны на этих материалах), но схемы на этих элементах в 100 раз дороже кремниевых, кроме того, ни один технолог не допустит присутствия арсенида галлия и фосфида индия вблизи многомиллионного оборудования по росту кремниевых чипов – производство этих материалов по сравнению с кремнием слишком «грязно». Так что производить их в едином технологическом цикле не получится, что создает проблемы с интеграцией и CMOS-совместимостью. Вот почему идет борьба за то, чтобы заставить светиться сам кремний.
И все-таки он светится!

Существуют, по крайней мере, три способа обойти запрет на свечение кремния:


  1. Пространственное ограничение

  2. Рамановское рассеяние

  3. Легирование редкоземельными оптически активными атомами


Способ 1 Пространственное ограничение

Один из способов «обмануть» закон сохранения – воспользоваться квантовомеханическим принципом неопределенности: если система ограничена в координатном пространстве, то растет неопределенность в величине импульса: . Так начинают светится наночастицы кремния в матрице из оксида кремния (рис.3), мезопористый крений (размер пор ~10 нм), квантовые ямы, проволоки и точки.



Рис.3 Крупинки кремния в матрице из оксида кремния

Способ 2 Рамановское рассеяние

При наличии оптической накачки, частота которой чуть выше частоты, соответствующей ширине запрещенной зоны, часть энергии накачки передается кристаллической решетке - образуются фононы.



— частота накачки

— частота фотона

— частота фонона

Это явление называется рамановским рассеянием (Раман, Кришнан, 1928 г. + Мандельштам)

Фононы, образующиеся при рамановском рассеянии как раз и берут на себя тот импульс, который не может унести фотон – закон сохранения импульса выполняется! (рис.4)
Способ 3 Активные включения

И, наконец, третий выход (правда, несколько читерский) - добавить люминесценцентые атомы, которые будет светиться за кремний. Таким активным включением используют эрбий Er. Он уже используется для создания волоконных усилителей EDFA (erbium-doped fiber amplifiers).

Проблемой здесь является малая растворимость эрбия в кремнии, помехи от безызлучательных процессов.
Тем не менее технология не стоит на месте, она придумывает новые способы преодоления ограничений, и кремниевая фотоника движется вперед семимильными шагами.

Литература


  1. Материалы сайта http://www.intel.com

  2. L. Pavesi, Will silicon be the photonic material of the third millenium?, J. Phys.: Condens. Matter 15 (2003) R1169–R1196

  3. R. Claps, D. Dimitropoulos, Y. Han and B. Jalali, Observation of Raman emission in silicon waveguides at 1.54 µm, OPTICS EXPRESS 1305, Vol. 10, No. 22, 2002

  4. O. Boyraz and B. Jalali, Demonstration of a silicon Raman laser, OPTICS EXPRESS 5269, Vol. 12, No. 21 2004

  5. F. H. Li, Y. L. Fan, X. J. Yang, and Z. M. Jianga, Y. Q. Wu and J. Zou, Atomic composition profile change of SiGe islands during Si capping, APPLIED PHYSICS LETTERS 89, 103108 (2006)

  6. C. Monat, C. Seassal, X. Letartre, P. Regreny, P. Rojo-Romeo, P. Viktorovitch, M. Le Vassor d’Yerville, D. Cassagne, J. P. Albert, E. Jalaguier, S. Pocas, and B. Aspar, InP-based two-dimensional photonic crystal on silicon: In-plane Bloch mode laser, APPLIED PHYSICS LETTERS Vol. 81, No 27 (2002)

  7. A. Md. Asaduzzaman and M. Springborg, Structural and electronic properties of Si/Ge nanoparticles, PHYSICAL REVIEW B 74, 165406 (2006)

  8. G. Z. Masanovic, G. T. Reed, W. Headley, and B. Timotijevic, V. M. N. Passaro, R. Atta, G. Ensell *, and A. G. R. Evans, A high efficiency input/output coupler for small silicon photonic devices, OPTICS EXPRESS 7374, Vol. 13, No. 19, 2005

Похожие:

Докладчик Волкова З. А iconВ67 Волкова И. Волкова И
Волкова И. Русская армия в русской истории. Армия, власть и общество: военный фактор в политике Российской империи/ И. Волкова. М.:...
Докладчик Волкова З. А iconОценка влияния избирательного законодательства на результаты выборов
Первый докладчик у нас сегодня Александр Воробьев, студент магистратуры факультета прикладной политологии. Второй докладчик – Валентин...
Докладчик Волкова З. А iconПрезентация «Волшебник Изумрудного города»
Оборудование: презентация «Волшебник Изумрудного города», портрет писателя А. Волкова, выставка книг А. Волкова, песенка Элли и ее...
Докладчик Волкова З. А iconСказка для детей и взрослых действующие лица: Фараон Писарь Докладчик Бездельник Пчелка Кормилица
Действие происходит в Древнем Египте. Ведется строительство пирамиды. Пустыня. На заднем плане: с правой стороны свалены камни, которые...
Докладчик Волкова З. А icon«Подарок» к юбилею Ораниенбаума: порт в центре города вместо городской набережной». Докладчик: Толкачев Александрович, общественная организация моол «Город Ораниенбаум»
Докладчик: Толкачев Александрович, общественная организация моол «Город Ораниенбаум»
Докладчик Волкова З. А iconУрок квн «Путешествие в волшебную страну» по книге А. М. Волкова «Волшебник Изумрудного города»
«Путешествие в волшебную страну» по книге А. М. Волкова «Волшебник Изумрудного города»
Докладчик Волкова З. А iconВихрева Людмила Витальевна Волкова Елена Львовна

Докладчик Волкова З. А iconРеферат Порождение и понимание дискурса. Текстоцентрический vs процедурный подход. Волкова А. А

Докладчик Волкова З. А iconИздательство
Макарова Н. В., Волкова И. В., Николайчук Г. С. и др. / Под ред. Макаровой Н. В. Информатика
Докладчик Волкова З. А iconЭнтропийный анализ термодинамического цикла абсорбционного бромисто-литиевого термотрансформатора О. В. Волкова

Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org