В России ускорили переключение светодиодов в 100 тысяч раз

Как пишут «Известия», технология обеспечивает переключение устройств всего за 10 наносекунд — в 100 тыс. раз быстрее существующих решений — и дает возможность оперативно «рисовать» и изменять схемы свечения без сложного производства. Разработка может лечь в основу сверхбыстрых источников излучения для дисплеев, датчиков и систем передачи информации. Также технология приблизит ученых к созданию оптического компьютера.

Ученым Нового физтеха ИТМО вместе с исследователями лаборатории «Материалы и устройства активной фотоники» Национального исследовательского университета «МИЭТ» и Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН удалось сконструировать полностью оптически переключаемую платформу для светодиодов. Они используются в разных приборах — например, дисплеях смартфонов, оптических сенсорах и датчиках, лазерах и системах оптоволоконной связи.

Но светодиоды на основе классических полупроводников переключаются между состояниями «включен-выключен» за счет электричества. Этот процесс занимает несколько миллисекунд, и этой скорости недостаточно для того, чтобы проводить оптические исследования и разрабатывать сверхбыстрые оптические устройства, рассказали специалисты.

Ускорить переключение можно с помощью более перспективных материалов с фазовым переходом. К ним относятся халькогениды — соединения элементов 16-й группы периодической таблицы (таких как сера, селен или теллур) с металлами. Они сыграли роль в истории хранения данных, в частности в дисках формата DVD, благодаря свойству материалов менять структуру под действием лазера. Это свойство позволило использовать халькогениды в перезаписываемых оптических дисках, например в формате DVD-RW.

Халькогенидные соединения трудно встроить в архитектуру светодиода — в их кристаллической структуре много дефектов, через которые «утекает» излучение светодиода, и из-за этого он становится более тусклым. Ученым ИТМО удалось преодолеть это ограничение и встроить халькогенидный сплав с фазовым переходом в структуру светодиода.

Разработанная платформа позволяет светодиоду менять состояния «включен-выключен» за 10 наносекунд — это в 100 тыс. раз быстрее существующих решений на основе электричества. В ее основе — халькогенидный сплав германия, сурьмы и теллура.

Принцип работы устройства заключается в следующем: при воздействии лазерного излучения на платформу халькогенидный сплав переходит в кристаллическую фазу, в результате чего загорается светодиод. При повторном облучении и переводе материала в аморфное состояние светодиод не включается даже при поданном напряжении. Таким образом, на светодиод постоянно подается напряжение, а его включение и выключение осуществляется за счет лазерных импульсов — это на порядки быстрее электрических сигналов.

— Наш подход позволяет добиться ультрабыстрого изменения состояния светодиода при постоянном напряжении в системе, что приводит к увеличению скорости срабатывания, а также повышает стабильность и срок службы устройства, — объяснила первый автор исследования, инженер Нового физтеха ИТМО Ольга Кущенко.

Новая платформа также упростит производство устройств — теперь для создания схем токопроводящих дорожек достаточно одного лазера, а весь процесс напоминает раскрашивание рисунка.

— Для создания узора свечения нужно лишь посветить лазером в конкретную точку халькогенидного слоя: только этот участок перейдет в кристаллическую фазу, и именно там светодиод загорится при подаче напряжения. Перемещая лазер по выбранным зонам, можно «нарисовать» любую схему свечения светодиода, поэтому процесс напоминает раскрашивание. Причем халькогенидный сплав — энергонезависимый материал, то есть освещенное лазером место останется в той же фазе, даже если убрать источник излучения, — рассказал руководитель исследования, научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Артем Синельник.

Новая платформа поможет в создании оптически переключаемых светодиодов, которые пригодятся как сверхбыстрые источники излучения для дисплеев, датчиков или систем кодирования и передачи информации, например потенциальных оптических компьютеров, рассказали разработчики.

— Основная область применения такой платформы — это оптоэлектронные схемы и устройства, где требуется мгновенное управление светом. Например, они могут стать основой для сверхбыстрых оптических переключателей в системах кодирования информации, которые необходимы для нового поколения оптических вычислений и высокоскоростной передачи данных. Их быстродействие, измеряемое наносекундами, критически важно для этих технологических отраслей, где скорости должны значительно превосходить человеческое восприятие, — сказал Артем Синельник.

Кроме того, такие материалы перспективны для создания высокочувствительных и быстродействующих датчиков, в которых ключевое значение имеют мгновенная реакция на внешний стимул и фиксация перехода из одного состояния в другое. В сегменте дисплеев их прямое применение для увеличения скорости смены изображения для человеческого глаза не является актуальным, поскольку человек не воспринимает наносекундные задержки.

— Однако такие технологии в будущем могут найти нишевое применение — например, в специализированных устройствах для сверхскоростной проекции или модуляции света, востребованных в научном и промышленном оборудовании, а не в массовых потребительских гаджетах, — отметил ученый.

Это довольно интересная и перспективная работа, в которой авторы разработали новую платформу для управления электролюминесценцией с помощью света, рассказал «Известиям» замдиректора института «Перспективных материалов и технологий», начальник лаборатории «Материалы и устройства активной фотоники» НИУ МИЭТ, эксперт Центра НТИ «Сенсорика» НИУ МИЭТ Петр Лазаренко.

— В перспективе разработка может быть использована для сверхбыстрого управления лазерными диодами — это одно из наиболее актуальных направлений сегодня, в том числе для задач интегральной фотоники, — отметил ученый.

Это не просто эволюция существующих светодиодов, а создание принципиально нового класса оптически управляемых устройств, подчеркнул эксперт НТИ, заведующий лабораторией интегральной фотоники ПГНИУ Роман Пономарев.

— В ближайшие 5–10 лет мы, вероятно, увидим их внедрение в первую очередь в нишевые высокопроизводительные приложения (оптические акселераторы, лидары), а в более отдаленной перспективе — и в массовую электронику, что приведет к существенным изменениям архитектуры вычислительных систем в случае преодоления барьера по числу циклов переключения такой управляющей ячейки, — отметил специалист.

На данном этапе ученые продолжат работать над платформой — они повышают стабильность и продолжительность ее работы, а также эффективность люминесценции.

Исследование поддержано грантами Министерства науки и высшего образования и Российского научного фонда.

Источник: «Известия»

Сообщение В России ускорили переключение светодиодов в 100 тысяч раз появились сначала на Время электроники.