Введение к работе
Актуальность темы. Тактовая частота современных микропроцессоров не превышает нескольких гигагерц из-за высокого тепловыделения и проблем с теплоотводом из интегральных схем. По этой причине в конце девяностых годов начался переход на многоядерные технологии, которые позволяют продолжить увеличение производительности микропроцессоров без увеличения их тактовой частоты. Процессоры современных графических ускорителей являются наилучшим тому примером. Они состоят из более чем 1000 ядер, их пиковая производительность превосходит 1 Тфлоп/c и определяется в большей степени эффективностью коммуникаций между ядрами, а не производительностью одного ядра. Это выводит на первое место роль межсоединений на кристалле, которые должны обладать высокой пропускной способностью, низким энергопотреблением и высокой степенью интеграции. Между тем, электрические межсоединения используются на пределе своей пропускной способности и не удовлетворяют требованиям современных многоядерных архитектур [1]. В этой связи требуется переход на новые технологии коммуникации на кристалле, удовлетворяющие ряду требований, основными из которых являются масштабируемость, воспроизводимость и планарность.
Наиболее перспективным решением обозначенной проблемы является внедрение оптических межсоединений на верхних уровнях интегральных схем, поскольку оптические волноводы обладают шириной полосы пропускания более 1 Тбит/c при субмикрометровом размере поперечного сечения. Несмотря на большой прогресс в области диэлектрических волноводов, фотоника обладает фундаментальным ограничением на размеры, которое диктуется дифракционным пределом. Так, например, размер моды в волноводах типа кремний на изоляторе превышает 1 мкм, несмотря на то, что поперечный размер кремниевого ядра может быть менее 1 мкм. Размер моды определяет, на каком минимальном расстоянии можно расположить друг относительно друга два волновода так, чтобы избежать перекрестных помех. Это расстояние, в свою очередь, определяет степень интеграции схем на кристалле. Таким образом, использование фотонных компонент накладывает фундаментальное физическое ограничение на степень интеграции. Следовательно, требуется поиск новых способов коммуникаций на кристалле, и наиболее перспективным решением этой проблемы представляется переход от объемных оптических волн к поверхностным плазмон-поляритонам (ППП). Последние являются поверхностными
волнами, распространяющимися вдоль границы раздела металл- диэлектрик и характеризуются более короткими длинами волн и высокой локализацией электромагнитного поля [2,3].
Плазмонные волноводы дают возможность повысить локализацию электромагнитного поля и уменьшить размер моды до величины порядка 100 нм, что позволяет более чем на порядок повысить степень интеграции по сравнению с фотонными волноводами. Однако использование металлов ведет к омическим потерям, и чем выше локализация, тем большая доля электромагнитного поля ППП находится в металле, и тем выше потери. Использование металл- полупроводниковых структур приводит к тому, что длина пробега ППП становится меньше 10 мкм на длине волны 1.55 мкм, что недостаточно не только для использования ППП в оптических межсоединениях, но и для любых практических приложений. Следует отметить, что проблема потерь в металле актуальна не только для межсоединений. Она является фундаментальной для всей плазмоники и препятствует созданию устройств на основе поверхностных плазмонов и ППП. Решением могло бы стать использование материалов альтернативных золоту и серебру, которые давали бы меньшие потери, но на сегодняшний день поиск таких материалов не увенчался успехом.
В связи с этим возникает потребность в компенсации омических потерь в металле. Предложенные к настоящему времени схемы компенсации потерь ППП путем создания инверсной заселенности в активной среде, расположенной вблизи поверхности металла, при помощи оптической накачки [4,5] отличаются крайне низкой энергоэффективностью, требуют внешний лазер и работают только в импульсном режиме, что не позволяет рассчитывать на их практическое использование.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка способов компенсации потерь и усиления ППП, которые бы характеризовались высокой энергоэффективностью и позволяли создавать интегрируемые на кристалле наноразмерные компоненты для межсоединений в устройствах обработки информации.
Основные положения, выносимые на защиту.
Предложенные метод усиления ППП на основе инжекции неосновных носителей заряда в диодах Шоттки позволяет компенсировать омические потери в металле.
Предложенная конфигурация металл-диэлектрик- полупроводникового плазмонного волновода позволяет интегрировать
активные плазмонные волноводы и электрическую накачку на одном кристалле и обеспечивает высокую локализацию (~А/8) основной плазмонной моды.
Результаты численного моделирования усиления ППП в Au/p-InAs и Au/p-InAs/p-AlAs016Sb084 структурах предсказывают полную компенсацию потерь ППП при плотностях тока накачки менее 30 кА/см .
Научная новизна. Впервые теоретически рассмотрен процесс компенсации потерь и усиления ППП при электрической накачке.
Предложен новый метод усиления ППП на основе диода Шоттки, который реализует компактную электрическую накачку и позволяет перейти к разработке действительно наноразмерных активных плазмонных волноводов, в которых омические потери в металле компенсированы усилением в полупроводниковой среде, усилителей ППП и наноразмерных источников когерентного излучения.
Разработана модель для описания компенсации потерь и усиления ППП в металл-полупроводниковых контактах Шоттки. На основе этой модели впервые проведено численное моделирование усиления ППП при электрической накачке и показана возможность использования инжекции неосновных носителей заряда в диодах Шоттки для усиления ППП.
Предложена оригинальная компактная конфигурация металл- диэлектрик-полупроводникового плазмонного волновода T-типа, которая позволяет интегрировать активные плазмонные волноводы с малым размером моды и электрическую накачку на одном кристалле.
Предложена модификация схемы компенсации потерь и усиления ППП на основе диода Шоттки путем использования гетероперехода вблизи контакта Шоттки, что позволяет понизить пороговые токи накачки.
Впервые приведены оценки энергоэффективности передачи оптического сигнала по активным плазмонным волноводам.
Практическая значимость. Впервые показана целесообразность практической реализации оптических межсоединений на основе активных плазмонных волноводов. Ожидаемая энергоэффективность таких межсоединений сравнима с энергоэффективностью кремниевой фотоники, в то время как степень интеграции плазмонных межсоединений на порядок выше.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих профильных международных конференциях и семинарах:
XVIII International Workshop on Optical Waveguide Theory and Numerical Modelling «OWTNM 2009», Йена, Германия, 2009 (устный доклад);
The 2nd International Workshop on Theoretical and Computational Nanophotonics «TACONA-Photonics 2009», Бад-Хоннеф, Германия, 2009 (стендовый доклад);
The 3rd International Workshop on Theoretical and Computational Nanophotonics «TACONA-Photonics 2010», Бад-Хоннеф, Германия, 2010 (стендовый доклад);
The 3rd European Topical Meeting on Nanophotonics and Metamaterials,
Зеефельд, Австрия, 2011, (стендовый доклад);
German-Russian Workshop - Future Trends in Nanoelectronics, Юлих, Германия, 2011 (приглашенный доклад);
The 7th International Conference on Photonic Devices and Systems «Photonics Prague 2011», Прага, Чехия, 2011 (устный доклад);
International Conference on Electromagnetics of Complex Materials for Advanced Technologies PLASMETA 2011, Самарканд, Узбекистан, 2011 (устный доклад);
The 4th International Workshop on Theoretical and Computational Nanophotonics «TACONA-Photonics 2011», Бад-Хоннеф, Германия, 2011 (устный доклад);
1st EOS Topical Meeting on Micro- and Nano-Optoelectronic Systems,
Бремен, Германия, 2011 (устный доклад);
The 3rd International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics META'12, Париж, Франция, 2012 (устный доклад);
E-MRS 2012 Spring Meeting, Страсбург, Франция, 2012 (устный доклад);
Days of Diffraction 2012, Санкт-Петербург, Россия, 2012 (устный доклад);
The 12th International Conference on Near-Field Optics, Photonics and Related Techniques «NFO-12», Сан-Себастья, Испания, 2012 (устный доклад);
The 5th International Workshop on Theoretical and Computational Nanophotonics «TACONA-Photonics 2012», Бад-Хоннеф, Германия, 2012 (устный доклад).
Материалы диссертации также представлялись на семинарах кафедры общей физики МФТИ, НОЦ «Бионанофизика» МФТИ и Института фундаментальной электроники Университета Париж-юг XI.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей в журналах, входящих в список изданий, рекомендованных ВАК для публикации материалов кандидатских и докторских диссертаций.
Личный вклад соискателя. Все изложенные в диссертации оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялся выбор направлений и объектов исследований, разработка теоретических подходов и численных методов, численное моделирование и обсуждение результатов.
Достоверность представленных в диссертационной работе результатов подтверждается соответствием теоретических результатов и результатов численного моделирования, а также соответствием теоретическим расчетам и экспериментальным данным, полученным в работах других авторов.
Внедрение. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении НИР рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (мероприятие 1.4, 07.514.11.4086, «Разработка компактных оптических межсоединений со сверхвысокой полосой пропускания и низким энергопотреблением для
высокопроизводительных многоядерных микропроцессоров общего назначения»).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она изложена на 138 страницах машинописного текста, включает 82 рисунка и 3 таблицы. Список цитируемой литературы насчитывает 186 наименований.
