Однако это уменьшение также означало более плотную упаковку проводки внутри микропроцессоров, что привело к таким эффектам, как утечка сигнала между компонентами, что может замедлить обмен данными между различными частями микросхемы. Эта задержка, известная как «узкое место межсоединения», становится все более серьезной проблемой в высокоскоростных вычислительных системах.
Один из способов преодолеть узкое место межсоединений — использовать свет, а не провода для связи между различными частями микрочипа. Однако это непростая задача, поскольку кремний, материал, используемый для изготовления микросхем, не излучает свет легко, по словам Пабло Харилло-Эрреро, доцента физики Массачусетского технологического института.Теперь, в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, исследователи описывают излучатель света и детектор, которые можно интегрировать в кремниевые КМОП-чипы.
Первым автором статьи является постдок из Массачусетского технологического института Я-Цин Би, к которому присоединились Ярилло-Эрреро и междисциплинарная команда, в которую входит Дирк Инглунд, доцент кафедры электротехники и информатики Массачусетского технологического института.Устройство построено из полупроводникового материала, называемого дителлурид молибдена. Этот ультратонкий полупроводник принадлежит к новой группе материалов, известных как двумерные дихалькогениды переходных металлов.По словам Ярилло-Эрреро, в отличие от обычных полупроводников, материал можно укладывать поверх кремниевых пластин.
«Исследователи пытались найти материалы, совместимые с кремнием, чтобы реализовать на кристалле оптоэлектронику и оптическую связь, но пока это оказалось очень трудным», — говорит Ярилло-Эрреро. «Например, арсенид галлия очень хорош для оптики, но он не может быть выращен на кремнии очень легко, потому что два полупроводника несовместимы».В отличие от этого, двумерный дителлурид молибдена может быть механически присоединен к любому материалу, говорит Харилло-Эрреро.Другая сложность интеграции других полупроводников с кремнием заключается в том, что материалы обычно излучают свет в видимом диапазоне, но свет на этих длинах волн просто поглощается кремнием.
Дителлурид молибдена излучает свет в инфракрасном диапазоне, который не поглощается кремнием, что означает, что его можно использовать для связи внутри кристалла.Чтобы использовать материал в качестве излучателя света, исследователям сначала пришлось преобразовать его в диод с P-N переходом, устройство, в котором одна сторона, сторона P, заряжена положительно, а другая, сторона N, заряжена отрицательно.В обычных полупроводниках это обычно делается путем введения в материал химических примесей.
Однако с новым классом двумерных материалов это можно сделать, просто приложив напряжение к металлическим электродам затвора, расположенным бок о бок поверх материала.«Это значительный прорыв, потому что это означает, что нам не нужно вводить химические примеси в материал [для создания диода]. Мы можем сделать это электрически», — говорит Ярилло-Эрреро.
После изготовления диода исследователи пропускают через устройство ток, заставляя его излучать свет.«Таким образом, используя диоды из дителлурида молибдена, мы можем изготавливать светодиоды (LED), совместимые с кремниевыми чипами», — говорит Ярилло-Эрреро.
Устройство также можно переключить на работу в качестве фотодетектора, изменив полярность напряжения, подаваемого на устройство. Это заставляет его перестать проводить электричество, пока на нем не загорится свет, когда ток возобновится.Таким образом, устройства могут передавать и принимать оптические сигналы.
По словам Харилло-Эрреро, это устройство является подтверждением концепции, и еще предстоит проделать большую работу, прежде чем технология может быть превращена в коммерческий продукт.В настоящее время исследователи исследуют другие материалы, которые можно было бы использовать для оптической связи на кристалле.Например, большинство телекоммуникационных систем работают с использованием света с длиной волны 1,3 или 1,5 микрометра, говорит Харилло-Эрреро.Однако дителлурид молибдена излучает свет размером 1,1 микрометра.
Это делает его пригодным для использования в кремниевых микросхемах компьютеров, но не подходит для телекоммуникационных систем.«Было бы очень желательно, если бы мы могли разработать аналогичный материал, который мог бы излучать и обнаруживать свет с длиной волны 1,3 или 1,5 микрометра, где работает связь через оптическое волокно», — говорит он.
С этой целью исследователи изучают другой ультратонкий материал, называемый черным фосфором, который можно настроить на излучение света на разных длинах волн, изменив количество используемых слоев. Они надеются разработать устройства с необходимым количеством слоев, чтобы они могли излучать свет на двух длинах волн, оставаясь при этом совместимыми с кремнием.
«Есть надежда, что если мы сможем обмениваться данными на кристалле с помощью оптических сигналов, а не электронных сигналов, мы сможем делать это быстрее и при меньшем потреблении энергии», — говорит Ярилло-Эрреро.