«Это своего рода революция — использование меди решает одну из главных проблем нанофотоники как таковой», — говорят авторы работы. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале NanoLetters.
Кремниевый чип с медными плазмонными компонентами
Революционное для фотоники и компьютеров будущего открытие сделали исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ. Им впервые удалось произвести нанофотонные компоненты на основе меди, которые по своим характеристикам не уступают аналогам из золота. Примечательно, что медные компоненты были произведены учеными в рамках стандартного технологического процесса, используемого для производства большинства современных микросхем. Это означает, что именно медные нанофотонные компоненты смогут в самом ближайшем будущем стать основой для энергоэффективных источников излучения, сверхчувствительных сенсоров и датчиков, а также высокопроизводительных оптоэлектронных процессоров, работающих на нескольких тысячах ядер.
Открытие было сделано в рамках так называемой нанофотоники — области, исследований, работающей в том числе над тем, чтобы заменить существующие в вычислительных устройствах компоненты на более совершенные за счет использования фотонов вместо электронов. Однако, в то время как основной компонент современной электроники, транзистор, может быть уменьшен до нескольких единиц нанометров, дифракция света ограничивает минимальные размеры фотонных компонентов величиной приблизительно равной длине волны света (порядка 1 микрометра). Несмотря на фундаментальность этого так называемого дифракционного предела, его возможно преодолеть используя металл-диэлектрические структуры и создать действительно наноразмерные фотонные компоненты. Во-первых, большинство металлов обладают отрицательной диэлектрической проницаемостью на оптических частотах, и свет не может в них распространяться, проникая на глубину всего лишь около 25 нанометров. Во-вторых, свет может быть преобразован в поверхностные плазмон-поляритоны, поверхностные волны распространяющиеся вдоль поверхности металла. Таким образом становится возможным перейти от привычной трехмерной к фактически двумерной фотонике на основе поверхностных плазмонов, известной как плазмоника, и управлять светом уже на масштабах порядка 100 нанометров, т.е. далеко за дифракционным пределом.
Ранее считалось, что для создания эффективных фотонных металл-диэлектрических наноструктур могут использоваться только два металла — золото и серебро, — в то время как все остальные металлы характеризуются настолько большим поглощением, что не могут быть альтернативой этим двум материалам. Однако на практике создавать компоненты на основе золота и серебра не представляется возможным, потому что оба металла, будучи «благородными», практически не вступают в химические реакции, а значит, из них крайне трудно, дорого и в большинстве случаев просто невозможно создавать наноструктуры — основу современной фотоники.
Исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ нашли решение этой проблемы. На основании обобщения теории для так называемых плазмонных металлов они еще в 2012 году выяснили, что медь как оптический материал может не только составить конкуренцию золоту, но и превзойти его. В отличие от золота, медь можно довольно легко структурировать, использую жидкостное или плазменное травление, и создавать на ее основе наноразмерные компоненты, которые легко интегрируются в фотонные или электронные интегральные схемы на основе кремния. Исследователям понадобилось более двух лет, чтобы закупить необходимое оборудование, разработать технологический процесс, изготовить образцы, провести множество независимых измерений и экспериментально подтвердить эту гипотезу.
«В результате нам удалось создать медные чипы, оптические свойства которых ни в чем не уступают золотым аналогам, – говорит лидер исследования Дмитрий Федянин. — Более того, мы добились этого в производственном цикле, совместимом с КМОП-технологией, которая является основой всех современных интегральных схем, включая микропроцессоры. Это своего рода революция в нанофотонике».
Наноразмерные плазмонные медные волноводы на кремниевом чипе в ближнепольном оптическом микроскопе (слева) и их изображение, полученное электронной микроскопией (справа)
Исследователи отмечают, что оптические свойства тонких поликристаллических медных пленок определяются их внутренней структурой, и умение управлять этой структурой, достигать и повторно производить необходимые параметры в технологических циклах — наиболее трудная задача. Однако им удалось ее решить, продемонстрировав, что возможно не просто добиться нужных свойств меди, но и сделать это в наноразмерных компонентах, которые можно интегрировать как с кремниевой наноэлектроникой, так и с кремниевой нанофотоникой.
«Мы провели эллипсометрию медных пленок, а затем подтвердили полученные результаты с помощью ближнепольной оптической микроскопии наноструктур. Это доказывает, что свойства меди не ухудшаются в ходе всего процесса изготовления наноразмерных плазмонных компонентов», — говорит Дмитрий Федянин.
Эти исследования создают фундамент для начала практического использования медных нанофотонных и плазмонных компонентов, которые уже в ближайшем будущем будут использованы при создании светодиодов, нанолазеров, высокочувствительных сенсоров и датчиков для мобильных устройств, высокопроизводительных оптоэлектронных процессоров, насчитывающих до нескольких десятков тысяч ядер, для видеокарт, персональных компьютеров и суперкомпьютеров.
Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале NanoLetters.Исследование поддержано грантом Российского научного фонда #14-19-01788 и программой повышения конкурентоспособности МФТИ «5-100». В работе использовано технологическое и аналитическое оборудование центра коллективного пользования уникальным научным оборудованием в области нанотехнологий МФТИ.
Ссылка на оригинальную статью: D.Yu. Fedyanin, D.I. Yakubovsky, R.V. Kirtaev, V.S. Volkov, Ultralow-loss CMOS copper plasmonic waveguides // Nano Letters 16, 362-366 (2016).
