為光子集成電路鋪平道路 科學家發現提高硅光致發光方法

近日，科學家發現了能提高硅光致發光（PL）的方法。 硅是所有現代電子產品的核心，同時它在光子發射器和吸收器上的表現非常糟糕。而科學家的這項發現可能為光子集成電路鋪平道路，提升其性能。 這篇論文發表在《Laser and Photonics Reviews》雜誌上。

Skolkovo 科學技術研究所的研究人員，同俄羅斯科學院微結構物理研究所、下諾夫哥羅德羅巴切夫斯基國立大學、ITMO 大學、莫斯科國立羅蒙諾索夫大學和 A.M. Prokhorov 普通物理研究所的研究人員共同合作，發現了這個新突破。

在近 80 年來，半導體技術的“自然選擇”導致硅成為了芯片的主要材料。大多數數字微電路是使用互補金屬氧化物半導體技術（CMOS）創建的。但製造商在進一步提高其性能的道路上遇到了一堵牆：由於 CMOS 電路中元素的高密度而導致的熱量釋放。

一個潛在的解決方法是通過將微電路中元素之間的金屬連接換成光學連接來減少熱量的產生：與導體中的電子不同，光子可以在波導中以最小的熱損失進行巨大的距離傳播。

來自 Skolkovo 的高級研究員、該論文的第一作者 Sergey Dyakov 表示：“向 CMOS 兼容的光子集成電路的過渡也將使現代計算機中的芯片內和單個芯片之間的信息傳輸率大幅提高，使其速度更快。不幸的是，硅本身與光的相互作用很弱：它是一個可憐的光子發射器和一個可憐的吸收器。因此，馴服硅以有效地與光互動是一項重要的任務”。

Dyakov 和他的同事們已經成功地使用鍺量子點和一種特殊設計的光子晶體來增強硅基光致發光。他們使用了一種基於連續體中束縛態的諧振器，這是一個從量子力學中借用的想法：這些諧振器在其內部對光產生了有效的限制，因為諧振器內部的電磁場的對稱性與周圍空間的電磁波的對稱性不相符合。

他們還選擇了鍺納米片作為發光源，它可以被嵌入到硅芯片上所需的地方。“使用連續體中的束縛態使發光強度增加了一百多倍，“Dyakov説，並指出它可以使我們獲得兼容CMOS的光子集成電路。