Инженеры добились эффективной интеграции лазеров на основе квантовых точек на кремниевых чиплетах. Токи спинов управляют намагничиванием устройств с использованием недорогих материалов.
Преимущества монолитной интеграции лазеров на кремнии
Лазеры, изготовленные непосредственно на кремниевых фотонных чипах, имеют ряд преимуществ перед внешними источниками лазерного излучения, такими как большая масштабируемость. Более того, фотонные чипы с такими «монолитно» интегрированными лазерами могут быть коммерчески жизнеспособными, если их можно будет производить на стандартных полупроводниковых заводах.
Интеграция полупроводниковых лазеров III-V на фотонных чипах
Полупроводниковые лазеры III-V можно монолитно интегрировать с фотонными чипами путём прямого выращивания кристаллического слоя материала, такого как арсенид индия, на кремниевой подложке. Однако фотонные чипы с такими интегрированными источниками лазерного излучения сложно изготовить из-за несоответствия структур или свойств полупроводникового материала III-V и кремния.
В недавнем исследовании, опубликованном в Journal of Lightwave Technology, доктор Розалин Кошика из Калифорнийского университета, США, и её команда успешно интегрировали лазеры на основе квантовых точек (QD) из арсенида индия монолитно на кремниевые фотонные чиплеты.
Согласно доктору Кошике, «Приложения для фотонных интегральных схем (PIC) требуют наличия на чипе источников света с небольшой занимаемой площадью устройства, чтобы обеспечить более плотную интеграцию компонентов».
Достижение монолитной интеграции
Для достижения этой монолитной интеграции авторы объединили три ключевые концепции: стратегию карманного лазера для монолитной интеграции, двухэтапную схему роста материала, которая включает в себя газофазную эпитаксию металлоорганических соединений и MBE для меньшего начального размера зазора, и полимерный метод заполнения зазора для минимизации оптической расходимости луча в зазоре, чтобы разработать монолитно интегрированные лазеры QD на кремниевых фотонных чиплетах.
При тестировании чиплеты с монолитно интегрированными лазерами продемонстрировали достаточно низкие потери на соединение. В результате лазеры QD эффективно работают на одной длине волны O-диапазона в пределах чиплетов. Длина волны O-диапазона желательна, поскольку она позволяет передавать сигналы в фотонных устройствах с низкой дисперсией. Одночастотное излучение достигается с помощью кольцевых резонаторов из кремния или распределённых брэгговских отражателей из нитрида кремния.
«Наши интегрированные лазеры QD продемонстрировали высокую температуру генерации до 105 °C и срок службы 6,2 года при работе при температуре 35 °C», — говорит доктор Кошика.
Потенциал для широкого применения
Техника интеграции лазеров может быть широко принята по двум причинам. Во-первых, фотонные чипы могут быть изготовлены на стандартных полупроводниковых заводах. Во-вторых, метод интеграции QD-лазеров может быть применён для различных конструкций фотонных интегральных схем без необходимости внесения обширных или сложных модификаций.
Предлагаемая методика интеграции может быть применена к различным конструкциям фотонных интегральных схем путём модификации кремниевых фотонных компонентов, открывая путь для масштабируемой, экономически эффективной монолитной интеграции источников света на чипе для практического применения.
Новое исследование открывает путь к более быстрой и энергоэффективной памяти компьютеров
Исследование, проведённое в Университете Миннесоты в городах-побратимах, даёт новое представление о материале, который может сделать компьютерную память быстрее и энергоэффективнее.
Управление намагничиванием с помощью Ni₄W
В исследовании, недавно опубликованном в Advanced Materials, учёные продемонстрировали более эффективный способ управления намагничиванием в крошечных электронных устройствах с использованием материала под названием Ni₄W — комбинации никеля и вольфрама.
Команда обнаружила, что этот материал с низкой симметрией создаёт мощный спин-орбитальный крутящий момент (SOT) — ключевой механизм для управления магнетизмом в памяти и логических технологиях следующего поколения.
«Ni₄W снижает энергопотребление при записи данных, потенциально значительно сокращая энергопотребление в электронике», — сказал Цзянь-Пин Ван, старший автор статьи и заслуженный профессор Макнайта и заведующий кафедрой Роберта Ф. Хартманна в Департаменте электротехники и вычислительной техники (ECE) в Университете Миннесоты в городах-побратимах.
Эта технология может помочь снизить потребление электроэнергии такими устройствами, как смартфоны и центры обработки данных, что сделает будущую электронику более интеллектуальной и устойчивой.
«В отличие от обычных материалов, Ni₄W может генерировать спиновые токи в нескольких направлениях, что позволяет «свободно от поля» переключать магнитные состояния без необходимости во внешних магнитных полях», — сказал Ифэй Ян, аспирант пятого курса в группе Ванга и соавтор статьи.
Ni₄W изготовлен из обычных металлов и может быть изготовлен с использованием стандартных промышленных процессов. Недорогой материал делает его очень привлекательным для отраслевых партнёров, и вскоре он может быть внедрён в технологии, которые мы используем каждый день, такие как умные часы, телефоны и многое другое.
«Мы очень рады видеть, что наши расчёты подтвердили выбор материала и экспериментальное наблюдение SOT», — сказал Сунгджун Ли, научный сотрудник ECE и соавтор статьи.
Следующим шагом является выращивание этих материалов в устройстве, которое будет даже меньше, чем их предыдущая работа.
В дополнение к Вану, Яну и Ли команда ECE включала профессора Пола Палмберга Тони Лоу, другого старшего автора статьи, Ю-Чиа Чена, Ци Цзя, Брахмудутту Диксита, Дуарте Соузу, Ихонга Фана, Ю-Хана Хуанга, Дэюаня Лю и Онри Джея Беналли. Эта работа была выполнена с Майклом Одлызко, Хавьером Гарсией-Барриоканалем, Гуйчуаном Ю и Грегом Хаугстадом из Центра характеризации Университета Миннесоты, а также с Заком Крессвеллом и Шуан Лиангом из Департамента химической инженерии и материаловедения.