Nanokrystaliczne światła drogą do szybszych układów scalonych

Nanokrystaliczne światła drogą do szybszych układów scalonych

Wydział Fizyki Stosowanej w California Institute of Technology wynalazł świecący tranzystor, który potencjalnie może pomóc w ominięciu głównej przeszkody spowalniającej elektronikę.

Nowe urządzenie może otworzyć nową drogę dla optycznych połączeń wewnątrz chipu, które umożliwią współdziałanie dwóch nowoczesnych technologii: komunikacji opartej na transmisji fotonów oraz obliczeń prowadzonych przy pomocy urządzeń zbudowanych z krzemu, które opierają się na przepływie prądu. Sukces optycznych połączeń wewnętrznych mógłby pozwolić krążyć informacji wewnątrz krzemu z szybkością światła, co powoduje powstanie znacznie mniejszych ilości ciepła, co z kolei umożliwi zbudowanie szybszych komputerów.

Artykuł autorstwa absolwenta Caltech’u Robb’a Walters’a i jego konsultanta - profesora Harry’ego Atwater’a, zamieszczony w ostatnim numerze Nature Materials, opisuje ich sukces w budowie nanofotowoltanicznego urządzenia, które wykorzystuje nową metodę zmiany sygnału elektrycznego w światło.

„Trudno było połączyć układ scalony na bazie krzemu z optyką” stwierdza Walters, który wynalazł urządzenie i jest autorem artykułu w piśmie Nature Materials. „Nasze nowe urządzenie posuwa nas o krok bliżej do opartego na krzemie źródła światła, które może nas doprowadzić do układów scalonych z wewnętrznymi połączeniami optycznymi”.

Rdzeniem urządzenia, które wynalazł Walters, jest małe sferyczne ziarno, zwane krzemowym nanokrzyształem, które absorbuje elektron oraz nośnik ładunku dodatniego zwany dziurą. Wewnątrz nanokryształu elektron i dziura rekombinują i uwalniają energię jako foton bliskiej podczerwieni, który ucieka przez przeźroczystą stronę ziarna. W efekcie ten impuls światła, ujęty w odpowiedni światłowód, może transportować informację wewnątrz chipu zwiększając szybkość transmisji.

Wymiary ziarna są odpowiedzialne za długość fali emitowanej z powodu efektów kwantowych. Rozmiar ziarna może być wykorzystany do regulacji częstotliwości generowanej fali, nieco mniejsze ziarno emituje nieco wyższą częstotliwość i odpowiednio nieco większe ziarno emituje nieco niższą. Fakt iż jedno ziarno absorbuje jedną parę elektron – dziura emitując przy tym jeden foton może też być użyteczny w przyszłych technologiach jednofotonowych, twierdzi Atwater.

Nowe urządzenie różni się od istniejących krzemowych diod świecących i innych struktur nanokrystalicznych, gdyż nie potrzebuje ciągłego przepływu prądu do świecenia. Nowe podejście, oparte na iniekcji nośnika przy pomocy pola, może być bardziej efektywne niż którakolwiek z istniejących technologii.

„Ostatecznie fotony z nanokryształów pójdą do fotodetektora jako kompletny fotoniczny układ scalony” stwierdza Atwater. „Urządzenie może być użyteczne jako wyświetlacz. Jakkolwiek ciągle jest w stadium badań i podlega rozwojowi. Nie zintegrowaliśmy jeszcze w urządzeniu detektora długości fali nadawanej, ale w zasadzie powinno to zadziałać.”

„Rekordowa wydajność energetyczna świecącej diody opartej na krzemie wynosi około jednego procenta” stwierdza Atwater. „Sądzimy że nasze urządzenie pobije ten rekord”