Представьте, что вместо печатной платы инженеры будущего создают микроскопический город, где каждая «улица» и каждое «здание» должны появиться строго на своём месте. Причем каждое такое «здание» должно еще и обладать хорошим, бездефектным фундаментом, чтобы работать стабильно на протяжении долгого времени. На сегодняшний день эта задача является крайне актуальной и решается различными коллективами учёных во всём мире, которые занимаются разработкой элементов для фотонных и оптоэлектронных интегральных устройств нового поколения.

Исследователи Южного федерального университета сделали важный шаг в этом направлении. Они предложили технологию, которая позволяет буквально «рисовать» на поверхности кремния участки, где затем вырастают полупроводниковые наноструктуры из арсенида галлия – материала, широко используемого при создании источников и приемников оптического излучения, являющихся основными строительными блоками фотонных интегральных схем.

Разработанная учеными технология основана на локальном изменении условий роста на поверхности кремния при помощи его облучения ионами галлия по заданному рисунку. Главное достижение работы заключается в том, что исследователи выяснили, какой именно параметр управляет процессом роста наноструктур и их характеристиками на такой модифицированной поверхности. Оказалось, что решающую роль играет не энергия воздействия и не время температурной обработки после облучения, а количество ионов галлия, попадающих в определённую область кремния. Изменяя этот параметр, исследователи могут либо полностью подавлять, либо, наоборот, стимулировать рост наноструктур строго в нужных местах.

Это позволяет отказаться от сложных, многоэтапных и дорогостоящих технологических операций, например переноса лазера с одного чипа на другой, при создании элементов интегральной кремниевой фотоники. Фактически исследователи получили инструмент для точного формирования массивов наноструктур практически любой конфигурации непосредственно на кремниевой подложке.

Особенно важно, что полученные структуры продемонстрировали отличные оптические свойства и способность эффективно излучать свет даже при комнатной температуре, что критически важно для устройств оптоэлектроники. Именно такие материалы рассматриваются как перспективная основа для кремниевой фотоники – направления, которое должно обеспечить передачу информации с помощью света вместо электрических сигналов.

«Сегодня одна из главных задач в фотонике – научиться размещать наноструктуры именно там, где они нужны будущему устройству. Наш подход позволяет управлять этим процессом с высокой точностью и без сложных промежуточных этапов. Это делает технологию более гибкой, менее затратной и открывает возможности для создания новых фотонных компонентов непосредственно на самих кремниевых чипах», – отметил один из авторов исследования, младший научный сотрудник Лаборатории эпитаксиальных технологий ПИШ ЮФУ Никита Шандыба.

Проверить точность нового метода ученые решили не только классическим методом, вырастив геометрические фигуры, но и креативным – они вырастили наноструктуры в форме логотипа Южного федерального университета и аббревиатуры названия университета на английском языке. Такой «нанорисунок» показывает, что технология позволяет управлять ростом структур практически как карандашом: размещать их именно там, где они нужны для будущего устройства.

«Наш следующий шаг в развитие темы – создание функционирующих прототипов устройств (источника и приемника оптического излучения) на основе полученных материалов и разработанных подходов. Параллельно ведутся работы по интеграции предложенных методик в типовые технологические маршруты изготовления полупроводниковых приборов и, при необходимости, их адаптации к требованиям мелкосерийного производства», – отмечает руководитель направления и Лаборатории эпитаксиальных технологий, ведущий научный сотрудник Максим Солодовник.

В будущем подобные технологии могут найти применение при создании компактных лазеров, высокочувствительных сенсоров, оптических вычислительных систем и других устройств, где требуется объединить возможности современной электроники и фотоники на одной кремниевой платформе. 

Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Alloys and Compounds, который относится к квартилю Q1 – то есть входит в 25% самых влиятельных научных изданий в своей области по общемировому рейтингу. Исследование выполнено с использованием оборудования Центра коллективного пользования "Передовые технологии микро- и оптоэлектроники" ЮФУ.

Текст: Юлия Сопрунова, Тимур Пацюк