«Нанопроводниковые» транзисторы с фотонным управлением — новый путь к реализации технологий оптических вычислений

Идея замены электронов фотонами света и создание вычислительных систем, способных работать буквально со скоростью света, витает в научном сообществе уже достаточно долго. Ученые из разных стран разработали ряд фотонно-электронных компонентов, которые смогут стать в будущем основой таких систем, однако, в большинстве случаев, при работе компонентов все же требуется выполнять преобразование оптических сигналов в электрические и наоборот при помощи чисто электронных цепей. А это, в свою очередь, значительно снижает эффективность и быстродействие вычислительной системы.

Достаточно эффективное и элегантное решение вышеупомянутой проблем преобразования сигналов было найдено учеными из Корейского университета (Korea University). Этим решением являются транзисторы из нанопроводников с фотонным управлением (photon-triggered nanowire transistor, PTNT). За счет использования некоторых видов взаимодействия света с материей, ток, протекающий через транзистор, контролируется при помощи потока света, падающего на определенный участок нанопроводника.

Основой PTNT-транзистора является нанопроводник из полупроводникового материала, в который включены продолговатые прозрачные кремниевые сегменты, чередующиеся с сегментами из непрозрачного пористого кремния. Электрические контакты устанавливаются на концах нанопроводника в области его прозрачных сегментов.

Сегменты из пористого кремния выступают в роли «резервуаров» для пойманных в ловушку электронов. Из-за этого в нанопроводнике возникает электрический потенциал, запрещающий прохождение через него электрического тока, что соответствует выключенному состоянию транзистора. Однако, пористый кремний обладает высокой чувствительностью к свету и когда фотоны света попадают на поверхность пористого кремния, пойманные в ловушке электроны возбуждаются, переходят на более высокий энергетический уровень и становятся способны «сбежать» из этой ловушки. Т.е. при освещении соответствующих сегментов транзистор начинает пропускать электрический ток, переходит во включенное состояние.

Эксперименты с опытными образцами PTNT-транзисторов показали, что соотношение их проводимости во включенном состоянии к проводимости в выключенном состоянии составляет 106, что позволяет использовать такие транзисторы не только в качестве дискретных (логических) компонентов, но и для усиления оптического сигнала с одновременным его преобразованием в электрический.

Немногим позже исследователи синтезировали более сложные структуры нанопроводников, которые содержали по два сегмента из пористого кремния, и состоянием такого транзистора уже можно было управлять при помощи двух независимых оптических сигналов. И уже на основе таких «двойственных» транзисторов исследователи создали фотонные логические элементы, реализующие стандартные функции AND, OR, NAND и их комбинации.

Сегменты нанопроводников из пористого кремния делаются сейчас при помощи метода химического травления. Побочным эффектом этого является то, что поверхность нанопроводника в целом получается грубой, а его структура — неравномерной, что приводит к повышению удельного электрического сопротивления. В скором времени исследователи займутся поисками другого метода получения пористого кремния, который не будет затрагивать структуру проводника в целом, что позволит получить высокую эффективность и быстродействие транзистора.