Кремниевый светоизлучающий элемент является одним из камней преткновения в области создания фотонных систем на основе кремния, над разработкой которых работают компании IBM, Intel, Luxtera и другие известные компании. Такие системы смогут обеспечить высокие скорости передачи информации между различными участками одного чипа микропроцессора и различными узлами вычислительной системы, что позволит преодолеть узкое место, связанное с физическими ограничениями на ширину полосы пропускания, которые накладывает использование медных проводников. Сейчас в фотонных устройствах используют источники света на основе полупроводников III — V группы, таких как арсенид галлия и фосфид индия, что вызывает массу технологических проблем, обусловленных несовместимостью различных материалов. Использование же кремниевых источников света позволит изготавливать фотонные устройства с применением традиционной CMOS-технологии производства полупроводников, отточенной до совершенства за время многолетнего ее использования.

Теперь, благодаря усилиям команды ученых-материаловедов из университета Пенсильвании (University of Pennsylvania, UPenn), появился первый в мире кремниевый источник света, который открывает огромные перспективы в области создания фотонно-электронных устройств. «Это является первой демонстрацией оптического кремниевого прибора, излучающего свет в видимом диапазоне» — рассказывает Ритеш Агаруол (Ritesh Agarwal), глава исследовательской группы Nanoscale Phase-Change and Photonics университета Пенсильвании.

Одной из основных проблем при создании кремниевых источников света является то, что кремний принципиально не желает излучать свет. В отличие от арсенида галлия или фосфида индия, у кремния имеется некая запрещенная зона, означающая, что при «встрече» возбужденного электрона и электронной дырки, во время их «аннигиляции» излишки энергии будут выделены не в виде фотона света, а в виде тепловой энергии.

Для преодоления вышеуказанной проблемы исследовательская группа обратила внимание на плазмонные эффекты. Свет, падающий на поверхность металла в месте его контакта с диэлектриком, таким как диоксид кремния, создает так называемые поверхностные плазмоны, электромагнитные колебания, создаваемые колебаниями свободных электронов, которые могут сдвинуть область запрещенной зоны в нужную сторону. Для создания плазмонного эффекта исследователи покрыли кремниевые нанопроводники 5-нанометровым слоем диоксида кремния и укрепили образовавшуюся структуру на стеклянном основании. После этого на основание и на кремниевый нанопроводник был нанесен 100-нанометровый слой серебра. Серебро покрыло весь нанопроводник за исключением места его контакта со стеклянным основанием, формируя покрытие, которое в сечении напоминает греческую букву омега. Область контакта серебра и диоксида кремния стала областью, которая выступала в роли своего рода усилителя света.

После этого исследователи сфокусировали на нанопроводнике свет синего лазера с длиной волны 458 нанометров и измерили длину волны света, выходящего с торцов нанопроводника. Плазмонный эффект вынудил возбужденные электроны кремния, сталкиваясь с электронными дырками, испускать фотоны света вместо того, чтобы выделять энергию в виде тепла. Длина волны излучаемого при этом света лежала в диапазоне от 470 до 700 нанометров.

Данная разработка находится еще на самой ранней стадии и исследователям придется проделать массу работы для того, чтобы сделать возможным ее практическое применение. В первую очередь им потребуется увеличить эффективность работы до 5-10 процентов, вместо того 1 процента, который демонстрирует первый образец кремниевого светоизлучающего устройства. Помимо этого, кремниевое устройство излучает рассеянный свет достаточно широкого спектра, но исследователи надеются в недалеком будущем на основе разработанных принципов создать кремниевый полупроводниковый лазер, который будет излучать монохроматический и когерентный свет, используя в качестве накачки электрический ток, а не свет от другого лазера.