Гибридный лазер InGaAs/GaAs/AlGaAs на подложке Ge/Si(001)

В Институте физики микроструктур (ИФМ РАН) – филиале Федерального исследовательского центра Института прикладной физики РАН – впервые в России создан инжекционный гибридный лазер ближнего инфракрасного (ИК) диапазона для кремниевых оптических соединений с выходной мощностью до 0,75 Вт при температуре равной 300 К (менее 27°С) в импульсном режиме.

Интерес к кремниевой оптике во всём мире очень высок. В век глобальной компьютеризации и небывалого информационного потока растёт не только необходимость решения большого количества вычислительных задач, но и предъявляются требования к скорости вычислений. Мощность вычислительной техники в наши дни увеличивается с поразительной скоростью. Сегодня мощность суперкомпьютеров уже достигает десяти и более петафлопс, хотя буквально 3–5 лет назад речь шла о терафлопсах (1 петафлопс = 10¹⁵ операций в секунду, 1 терафлопс = 10¹² операций в секунду). Сейчас уже идёт речь о создании первого экзафлопсного (10¹⁸ операций в секунду) компьютера.

Однако «узким местом» суперкомпьютеров являются проводные линии связей между разными узлами системы, выделяющими большое количество тепла. Чтобы обеспечить работу такой вычислительной машины, приходится затрачивать много энергии на охлаждение систем, что существенно влияет и на скорость, и на энергопотребление (мощный суперкомпьютер потребляет энергию небольшой электростанции). Поэтому идея передачи информации не по проводам, а с помощью света, источник которого находился бы непосредственно на пластине устройства, занимает учёных, работающих в области физики полупроводников, уже много лет. Задача усложняется ещё и тем, что основными элементами, используемыми в микроэлектронной промышленности, являются кремний (Si) и германий (Ge), которые не способны эффективно генерировать свет. Одним из способов решения этой проблемы является рост так называемых гибридных структур, когда на кремниевой пластине выращиваются другие полупроводники, способные эффективно испускать свет.

В ИФМ РАН развитием кремниевой оптоэлектроники ближнего ИК диапазона учёные занимаются много лет. Накоплен большой исследовательский опыт, поставлено много экспериментов и, наконец, благодаря совместным усилиям технологов ИФМ РАН и Научно-исследовательского физико-технического института Нижегородского государственного университета (НИФТИ ННГУ), удалось вырастить качественную структуру на основе арсенида галлия (InGaAs/GaAs) на кремнии. На этой структуре был создан гибридный лазер.

Работа выполнялась в содружестве с учёными Научно-производственного предприятия «Салют», где были выполнены post-ростовые процессы лазера: оснащение контактами, волноводами, зеркалами. Полученный результат является важным шагом на пути создания микроэлектроники нового поколения.

В. Я. Алешкин, А. А. Дубинов, З. Ф. Красильник, К. Е. Кудрявцев, А. В. Новиков, Е. В. Скороходов, М. В. Шалеев, А. Н. Яблонский, П. А. Юнин, Д. В. Юрасов (ИФМ РАН);
Н. В. Байдусь, С. М. Некоркин, И. В. Самарцев (НИФТИ ННГУ);
Д. А. Павлов, А. А. Сушков (ННГУ); А. Г. Фефелов (НПП «Салют»).

Результат опубликован в журнале Американского Института Физики (Applied Physics Letters): V. Ya. Aleshkin, N. V. Baidus, A. A. Dubinov, A. G. Fefelov, Z. F. Krasilnik, K. E. Kudryavtsev, S. M. Nekorkin, A. V. Novikov, D. A. Pavlov, I. V. Samartsev, E. V. Skorokhodov, M. V. Shaleev, A. A. Sushkov, A. N. Yablonskiy, P. A. Yunin, and D. V. Yurasov. Monolithically integrated InGaAs/GaAs/AlGaAs quantum well laser grown by MOCVD on exact Ge/Si(001) substrate // Appl. Phys. Lett. v. 109, 061111 (2016). DOI: 10.1063/1.4961059.