Czerwone Êwiat∏o

dla Êwiat∏a

Sztuczne „kryszta∏y” blokujà

cz´stotliwoÊci optyczne

P

ó∏przewodniki majà niezwykle
u˝ytecznà w∏aÊciwoÊç: elektrony
mogà zajmowaç w nich tylko pew-

ne pasma energetyczne rozdzielone ob-
szarem nazywanym pasmem wzbronio-
nym (przerwà energetycznà). Zmieniajàc
jego wielkoÊç, in˝ynierowie majà wp∏yw
na parametry tranzystorów wykonanych
z krzemu lub innych materia∏ów pó∏prze-
wodnikowych, tak aby jak najlepiej wy-
korzystaç je w komputerowych scalakach.
Materia∏y o podobnych w∏aÊciwoÊciach
w odniesieniu do Êwiat∏a, czyli majàce
„fotonowe pasmo wzbronione”, mogà
okazaç si´ równie u˝yteczne. W ciàgu
ostatnich paru lat opracowano przyrzàdy
tego typu dzia∏ajàce w zakresie mikro-
fal. Dopiero jednak badaczom z MIT uda-
∏o si´ niedawno wytworzyç struktur´,
która pracuje w obszarze zbli˝onym do
Êwiat∏a widzialnego i rokuje nadziej´ na
zastosowanie w technice laserowej, ko-
munikacji Êwiat∏owodowej oraz w innych
dziedzinach.

Struktura z MIT zaskakuje prostotà:

w zasadzie jest to malutki pr´cik krze-
mu, w którym wykonano rzàd mikro-
skopijnych otworków. Najwa˝niejsze jest
to, ˝e rozmieszczono je w jednakowych
odleg∏oÊciach zbli˝onych do d∏ugoÊci fal
Êwietlnych, czyli milionowej cz´Êci metra.
Dzi´ki takiemu usytuowaniu otworki
uniemo˝liwiajà rozchodzenie si´ Êwia-
t∏a wewnàtrz pr´cika; bli˝ej po∏o˝one sta-

nowi∏yby przeszkod´ dla Êwiat∏a o jesz-
cze mniejszej d∏ugoÊci fali.

Na pomys∏ zastosowania „kryszta-

∏ów” z fotonowym pasmem wzbronio-
nym wpad∏ pod koniec lat osiemdzie-
siàtych Eli Yablonowitch, elektronik
z University of California w Los Ange-
les. Z poczàtku zajmowa∏ si´ mikrofa-
lami, poniewa˝ w ich przypadku odst´-
py w strukturach sà znacznie wi´ksze
(centymetrowe), co umo˝liwia ich wy-
konanie powszechnie dost´pnymi meto-
dami. Aby t∏umiç promieniowanie zbli-
˝one do zakresu widzialnego, którego
fale sà du˝o krótsze od mikrofal, bada-
cze z MIT musieli si´gnàç po wyszuka-
ne technologie, w tym tak˝e pos∏u˝yç
si´ mikrolitografià z wykorzystaniem
wiàzki elektronowej. „By∏em zupe∏nie
pewny, ˝e taki sam efekt jak w moich
doÊwiadczeniach z mikrofalami wystà-
pi [teoretycznie] w przypadku Êwiat∏a,
ale w MIT potwierdzono to ekspery-
mentalnie” – wspomina Yablonowitch.

Cennà w∏aÊciwoÊcià struktury z MIT

jest jej zdolnoÊç do przepuszczania pro-
mieniowania o dok∏adnie okreÊlonej d∏u-
goÊci fali z obszaru pasma wzbronione-
go. Umo˝liwia to specjalnie wprowa-
dzona do „kryszta∏u” nieregularnoÊç –
minimalne zwi´kszenie odst´pu mi´dzy
dwoma sàsiednimi otworkami w Êrod-
ku pr´cika. Ten niewielki „defekt” spra-
wia, ˝e uk∏ad zachowuje si´ jak niezwy-
kle selektywny filtr: zmiana schematu
rozpraszania na otworkach Êwiat∏a roz-
chodzàcego si´ wewnàtrz pr´cika otwie-
ra drog´ promieniowaniu podczerwo-
nemu o wybranej d∏ugoÊci fali. Ponadto
ró˝ne odst´py wyznaczajà malutkie „pu-
de∏eczko”, które byç mo˝e pewnego dnia
uda si´ zmieniç si´ w mikroskopijne wy-
dajne êród∏o Êwiat∏a, takie jak laser. „Jest
to z pewnoÊcià najmniejsza wn´ka

optyczna, jakà uda∏o si´ do tej pory wy-
tworzyç” – zapewnia James S. Foresi,
cz∏onek zespo∏u badawczego z MIT zaj-
mujàcego si´ tym projektem.

Jednak laser wymaga zarówno oÊrod-

ka, który emituje Êwiat∏o, jak i niezb´d-
nej do emisji energii. Krzem w przeci-
wieƒstwie do innych pó∏przewodników,
takich jak arsenek galu, jest bardzo z∏ym
êród∏em promieniowania. (Badacze
z MIT, którzy przyst´powali do tej pra-
cy, majàc przed oczami wizj´ krzemo-
wych uk∏adów scalonych ∏àczàcych ele-
menty optyczne i obwody elektroniczne,
starali si´ zwi´kszyç intensywnoÊç lumi-
nescencji krzemu przez domieszkowa-
nie go erbem.) Ponadto pr´cik przygo-
towany w MIT spoczywa na szklanej
podstawie, która nie przewodzàc pràdu,
utrudnia zasilanie urzàdzenia.

„Bardziej obiecujàcym zastosowa-

niem wydaje si´ filtr na potrzeby tele-

komunikacji – przewiduje Foresi. –
Struktura mog∏aby s∏u˝yç do rozdzie-
lenia sygna∏ów Êwietlnych o ró˝nych
d∏ugoÊciach fali przesy∏anych tym sa-
mym Êwiat∏owodem. Filtry z przerwà
energetycznà dla fotonów by∏yby znacz-
nie mniejsze i wygodniejsze w u˝yciu
od obecnie stosowanych odpowiedni-
ków ze szklanych Êwiat∏owodów.”

Jakiekolwiek by∏oby zastosowanie

struktur, ich mikroskopijne rozmiary,
choç idealne do filtrowania Êwiat∏a, mo-
gà utrudniç szybkie uruchomienie pro-
dukcji. „Te malutkie przyrzàdy trzeba
wytwarzaç z ogromnà precyzjà – twier-
dzi Thomas F. Krauss, elektronik z Uni-
versity of Glasgow. – Obecnie stosowa-
ne w przemyÊle technologie nie pozwa-
lajà na ich produkcj´.”

Alden M. Hayashi

22 Â

WIAT

N

AUKI

Kwiecieƒ 1998

Szybsze, mniejsze,

bardziej p∏askie

„Archaiczny” proces wytwórczy

umo˝liwia produkowanie

nowoczesnych uk∏adów scalonych

K

arey Holland ciàgle pami´ta
swojà reakcj´, gdy pewnego dnia
w 1984 roku jej wspó∏pracownik

z IBM zaproponowa∏ u˝ycie tarczy Êcier-
nej i pasty polerskiej do wykonania jed-
nej z najistotniejszych operacji w proce-
sie produkcji pami´ci pó∏przewodni-
kowej nowej generacji. Nie mieÊci∏o si´
jej w g∏owie, ˝e ktoÊ dopuszcza myÊl
o wystawieniu delikatnej powierzchni
uk∏adu scalonego na dzia∏anie milionów
szorstkich ziarenek. „Chyba nie zamie-
rzasz wylaç tego paskudztwa na moje
uk∏ady?” – protestowa∏a.

Od tamtej chwili up∏yn´∏o 14 lat. DziÊ

Holland kieruje produkcjà urzàdzeƒ, któ-
re tà w∏aÊnie metodà usuwajà z po-
wierzchni uk∏adu scalonego warstw´ sub-
mikrometrowej gruboÊci. Jej pierwsza
reakcja by∏a typowa – jeszcze niedawno
uwa˝ano, ˝e pomys∏ chemiczno-mecha-
nicznego polerowania (CMP – chemical-
mechanical polishing) jest absurdalny;
przecie˝ w przemyÊle mikroelektronicz-
nym do wytwarzania z∏o˝onych uk∏a-
dów (takich jak procesor Pentium) stan-
dardowo stosuje si´ zaawansowane
technologie wykorzystujàce wiàzki jo-
nów. Z tej perspektywy proces CMP zda-
wa∏ si´ pochodziç z czasów znacznie
poprzedzajàcych rewolucj´ technologicz-
nà XX wieku. Choç z poczàtku producen-
ci uk∏adów scalonych bardzo nieufnie od-

TECHNOLOGIA

OPTYKA

MIKROSKOPIJNE otworki wytrawione

w krzemowym pr´ciku filtrujà Êwiat∏o.

Za zgodà

NATURE