シリコンチップで成長したミニチュアレーザーは、コンピューティングに革命をもたらす可能性があります

シリコンチップの発明は、通信に革命をもたらしました。今日でも、彼らは世界中に情報を移動するために使用するテクノロジーの基礎です。しかし、彼らの働き方は大幅に変化しました。彼らはより良くなりました：長い間、これは専門家がハードウェアを改善し、可能な限り効率的に動作するためです。しかし、最近では、研究者は、情報の保存と操作を担当するエージェントとして、光の粒子である光子に電子を置き換え始めました。したがって、今日、私たちはデータセンターとセンサーに貴重なアプリケーションを備えたシリコンフォトニクス、および量子コンピューティングの潜在的なアプリケーションを備えています。シリコンフォトニクスは、従来の半導体チップよりも多くの利点があるため、急速に牽引力を獲得しています。の研究で 自然、米国とヨーロッパの科学者は、シリコンウェーハで最初の小型化されたレーザーを直接製造し、シリコンフォトニクスで大きな前進を示したと報告しました。光子は、データ容量が大きく、電子よりもエネルギー損失が低いため、情報をより速く運ぶ。しかし、光子は銀の弾丸ではありません。光子の使用に関連する重要な課題は、これらの粒子のソース（光源）をシリコンチップ自体と統合することです。現在、エンジニアの最善の策は、別のレーザー光源をチップに取り付けることです。結果のデバイスは、独立して製造されているために発生する小さいながらも重要な不一致のため、統合された光源を備えたチップよりもゆっくり動作します。レーザーを個別に製造および取り付けることもより高価です。新しい研究では、研究者は、よりスケーラブルなプロセスで、シリコンチップでレーザーを直接「成長させる」ことでこの問題を乗り越えました。また、研究チームは、テクノロジー業界が現在電子チップの製造に使用している標準的な補完的な金属酸化系導体（CMOS）製造ラインでプロセス全体を実施しました。したがって、新しい手法は、既存の製造方法と互換性がある可能性があります。チップに乗る典型的なシリコンチップには、電子または光子、導波路、モジュレーター、および光検出器を生成するためのソースの4つのコンポーネントがあります。フォトニックチップでは、レーザーが光源です。これは、シリコンチップ自体で最も難しい部分です。導波路は、電子の経路と同様に、光子の経路として機能します。モジュレーターは、情報を光にエンコードするデバイス（または光信号から情報をデコードする）です。彼らは、その強度、波長、または位相を変えるなど、光の物理的な特性に情報を転写することによってこれを行います。 （同様に、これらのバリエーションを着信キャリア信号で「読み取る」ことで情報を抽出します。）最後に、光検出器は光を電気信号に変換します。レーザーをオンにする最も単純な形式では、レーザー - 「放射の刺激放出による光増幅」の頭字語であるレーザーは、刺激放出と呼ばれるプロセスで光を増幅することにより機能します。ここでは、より高いエネルギーレベルの電子が入ってくる光子によって「蹴られ」、エネルギーを失い、エネルギーレベルを低くします。失われたこのエネルギーは、入射光子のエネルギーと一致する別の光子の形です。このプロセスが繰り返し発生すると、電子の集団は光のコヒーレントビームを生成します。これはレーザーです。シリコン自体は、間接的なバンドギャップがあるため、効率的に光を放出することはできません。言い換えれば、シリコン原子では、より高いエネルギーレベルの電子はそれ自体で低いエネルギーに低下することはできません。代わりに、電子のエネルギーを放出してドロップダウンするのに役立つ追加の粒子が必要です。ほとんどのレーザーは、光を生成するためにアルセニドガリウムなどの半導体材料を使用しています。これらの材料には直接バンドギャップがあります。つまり、材料内の電子は、光子を放出することでより高いエネルギーレベルから低いエネルギーレベルに低下する可能性があります。直接バンドギャップ材料により、電子はキックする必要なく光子を直接放出し、追加の相互作用なしにより多くの電気エネルギーを光に変換できます。したがって、レーザーはよりエネルギー効率が高くなります。ガリウムをシリコンと統合することは、各要素の原子の配置が異なるため、大きな課題です。ガリウムアルセニドがシリコン上の層ごとに層になった場合、材料の結晶構造の不一致は、原子パターンが適切に並んでいない欠陥を引き起こします。2つのパズルピースが同じパズルの一部ではないときに一緒にフィットしようとすることを想像してください。電子がこれらの欠陥に遭遇すると、彼らは光ではなく熱としてエネルギーを失い、レーザーの効率が低下します。trenchで彼らの研究では、研究者は、シリコンウェーハベース、光子が移動するナノメートルサイズの尾根、およびこれらの光子を生成する小さな領域で構成されるチップを成功裏に作成しました。尾根のアイデアは、2007年の研究から来たもので、アンバーウェーブシステムコーポレーションの研究者は、アルセニドガリウムが断熱材に囲まれた狭い深いトレンチの底にあるシリコンに堆積する場合、欠陥は「閉じ込められている」ことを発見しました。 TOP、LR：数千のGAASデバイスを含む300mmシリコンウェーハの製造された写真。複数のダイを示す製造された300 mmウェーハのクローズアップビュー。カプセル化前のGAASナノリッジアレイの走査電子顕微鏡写真。一番下の列には、チップのさまざまなコンポーネントが表示されます。 |写真クレジット：arxiv：2309.04473v1 そのため、研究者は長さ300 mmのシリコンウェーハにナノメートル幅の尾根を彫り、二酸化シリコンを絶縁材料として塗りました。すべての欠陥はこれらのトレンチの底に限定されていたため、欠陥のないアルセニド結晶が上に成長することができました。次に、同じウェーハで、研究者は3つの厚さの厚さのインジウムガリウム層（すなわち、ガリウム原子がインジウムに置き換えられて最適な光放出を達成した）の3つの厚さの厚さの層を堆積させました。これらの層は一緒にレーザーとして機能しました。最後に、チームは、保護のためにセットアップ全体の上にリン化インジウムガリウムの層を堆積させました。レーザーを機能させるために、研究者は外部電流源に接続された電気接点を追加しました。電流がインジウムガリウムアルセニド領域に流れると、後者は導波路を流れる光子を放出しました。長年の問題を解決します研究者は、単一の300 mmシリコンウェーハに300の機能レーザーを埋め込むことができました。ウェーハのサイズは、最新の半導体製造の業界標準であるため、重要な変更を要求することなく統合できるため、重要です。レーザーは、波長が1,020 nmの光を生成しました。これは、コンピューターチップ間の短距離トランスミッションに適しています。したがって、研究者は、チップがコンピューティングパフォーマンスの大幅な改善につながり、データセンターのエネルギー消費を削減できると予想しています。レーザーの実行に必要なしきい値電流は、コンピューターマウスのLEDに必要なものに匹敵する5 mAに匹敵しました。レーザーの出力は約1 MWでした。レーザーは、室温（25°C）で500時間連続的に動作できます。約55°Cで、その効率は低下しました。この期間は有望ですが、光学シリコンチップに関する最近の研究では、最大120°Cの温度での連続動作が実証されており、安定した半導体レーザーの開発における継続的な課題を強調しています。要するに、フォトニックシリコンチップは、このサイズのシリコンウェーハに完全にモノリシックレーザーダイオードの最初のデモンストレーションであるため、斬新です。チームのプロセスもスケーラブルで費用対効果が高い。Tejasri Gururajは、物理学の修士号を取得したフリーランスサイエンスライター兼ジャーナリストです。 公開 - 2025年4月15日05:30 AMです #シリコンチップで成長したミニチュアレーザーはコンピューティングに革命をもたらす可能性があります