Les chercheurs de Skoltech et leurs collègues du RAS Institute for Physics of Microstructures, Université d'État Lobatchevski de Nijni Novgorod, Université ITMO, Université d'État Lomonossov de Moscou, et A.M. L'Institut de physique générale de Prokhorov a trouvé un moyen d'augmenter la photoluminescence dans le silicium, l'émetteur et l'absorbeur notoirement faibles de photons au cœur de toute l'électronique moderne. Cette découverte pourrait ouvrir la voie aux circuits intégrés photoniques, augmenter leurs performances. L'article a été publié dans la revue Avis sur le laser et la photonique .

La "sélection naturelle" dans la technologie des semi-conducteurs depuis près de 80 ans a conduit à l'émergence du silicium comme matériau prédominant pour les puces. La plupart des microcircuits numériques sont créés en utilisant la technologie CMOS (CMOS), qui signifie complémentaire métal-oxyde-semi-conducteur. Pourtant, les fabricants se sont heurtés à un mur pour augmenter encore leurs performances :le dégagement de chaleur dû à la haute densité d'éléments dans les circuits CMOS.

Une solution de contournement potentielle consiste à réduire la génération de chaleur en passant des connexions métalliques entre les éléments des microcircuits aux connexions optiques :contrairement aux électrons dans les conducteurs, les photons peuvent parcourir des distances géantes en longueurs d'onde avec des pertes de chaleur minimales.

"La transition vers des circuits intégrés photoniques compatibles CMOS permettra également d'augmenter considérablement le taux de transfert d'informations au sein d'une puce et entre les puces individuelles dans les ordinateurs modernes, les rendant plus rapides. Malheureusement, le silicium lui-même interagit faiblement avec la lumière :c'est un mauvais émetteur et un mauvais absorbeur de photons. Par conséquent, apprivoiser le silicium pour interagir efficacement avec la lumière est une tâche essentielle, " Sergueï Diakov, chercheur principal à Skoltech et premier auteur de l'article, dit.

Dyakov et ses collègues ont réussi à améliorer la photoluminescence à base de silicium à l'aide de points quantiques de germanium et d'un cristal photonique spécialement conçu. Ils ont utilisé un résonateur basé sur des états liés dans le continuum, idée empruntée à la mécanique quantique :ces résonateurs créent un confinement efficace de la lumière à l'intérieur puisque la symétrie du champ électromagnétique à l'intérieur du résonateur ne correspond pas à la symétrie des ondes électromagnétiques de l'espace environnant.

Ils ont également choisi des nano-îlots de germanium comme source de luminescence, qui peut être intégré à l'endroit souhaité sur une puce de silicium. "L'utilisation d'états liés dans le continuum a augmenté l'intensité de la luminescence de plus de cent fois, " Diakov dit, notant qu'il peut nous conduire à des circuits intégrés photoniques compatibles CMOS.

"Les résultats ouvrent de nouvelles possibilités pour créer des sources de rayonnement efficaces à base de silicium, intégré dans les circuits de la microélectronique moderne avec traitement du signal optique. Il existe actuellement de nombreux groupes travaillant sur la création de diodes électroluminescentes basées sur de telles structures et les principes de leur couplage avec d'autres éléments sur une puce optoélectronique, " Professeur Nikolay Gippius, chef du groupe Théorie de la nanophotonique au Centre de photonique et des matériaux quantiques de Skoltech, dit.