El enorme aumento en el rendimiento informático en las últimas décadas se ha logrado comprimiendo cada vez más transistores en un espacio más reducido en microchips.

Sin embargo, Esta reducción también ha significado empaquetar el cableado dentro de los microprocesadores cada vez más estrechamente, conduciendo a efectos tales como fugas de señal entre componentes, lo que puede ralentizar la comunicación entre diferentes partes del chip. Este retraso conocido como "cuello de botella de interconexión, "se está convirtiendo en un problema cada vez mayor en los sistemas informáticos de alta velocidad.

Una forma de abordar el cuello de botella de la interconexión es usar luz en lugar de cables para comunicarse entre las diferentes partes de un microchip. Esta no es una tarea fácil, sin embargo, como silicio, el material utilizado para fabricar chips, no emite luz fácilmente, según Pablo Jarillo-Herrero, profesor asociado de física en el MIT.

Ahora, en un artículo publicado hoy en la revista Nanotecnología de la naturaleza , Los investigadores describen un emisor de luz y un detector que se pueden integrar en chips CMOS de silicio. El primer autor del artículo es el postdoctorado del MIT Ya-Qing Bie, a quien se unen Jarillo-Herrero y un equipo interdisciplinario que incluye a Dirk Englund, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en el MIT.

El dispositivo está construido con un material semiconductor llamado ditelurida de molibdeno. Este semiconductor ultradelgado pertenece a un grupo emergente de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales.

A diferencia de los semiconductores convencionales, el material se puede apilar sobre obleas de silicio, Dice Jarillo-Herrero.

"Los investigadores han estado tratando de encontrar materiales que sean compatibles con el silicio, para incorporar la optoelectrónica y la comunicación óptica en el chip, pero hasta ahora esto ha resultado muy difícil, "Dice Jarillo-Herrero." Por ejemplo, el arseniuro de galio es muy bueno para la óptica, pero no se puede cultivar en silicio muy fácilmente porque los dos semiconductores son incompatibles ".

A diferencia de, la ditelurida de molibdeno 2-D se puede unir mecánicamente a cualquier material, Dice Jarillo-Herrero.

Otra dificultad de integrar otros semiconductores con silicio es que los materiales normalmente emiten luz en el rango visible, pero la luz en estas longitudes de onda es simplemente absorbida por el silicio.

La ditelurida de molibdeno emite luz en el rango infrarrojo, que no es absorbido por el silicio, lo que significa que se puede utilizar para la comunicación en chip.

Para utilizar el material como emisor de luz, los investigadores primero tuvieron que convertirlo en un diodo de unión P-N, un dispositivo en el que un lado, el lado P, tiene carga positiva, mientras que el otro, Lado N, está cargado negativamente.

En semiconductores convencionales, esto se hace típicamente mediante la introducción de impurezas químicas en el material. Con la nueva clase de materiales 2-D, sin embargo, se puede hacer simplemente aplicando un voltaje a través de los electrodos de puerta metálicos colocados uno al lado del otro sobre el material.

"Ese es un avance significativo, porque significa que no necesitamos introducir impurezas químicas en el material [para crear el diodo]. Podemos hacerlo eléctricamente, "Dice Jarillo-Herrero.

Una vez que se produce el diodo, los investigadores pasan una corriente a través del dispositivo, provocando que emita luz.

"Entonces, al usar diodos hechos de ditelururo de molibdeno, somos capaces de fabricar diodos emisores de luz (LED) compatibles con chips de silicio, "Dice Jarillo-Herrero.

El dispositivo también se puede cambiar para que funcione como fotodetector, invirtiendo la polaridad del voltaje aplicado al dispositivo. Esto hace que deje de conducir electricidad hasta que una luz lo ilumine, cuando se reinicia la corriente.

De este modo, los dispositivos pueden transmitir y recibir señales ópticas.

El dispositivo es una prueba de concepto, y aún queda mucho trabajo por hacer antes de que la tecnología pueda convertirse en un producto comercial, Dice Jarillo-Herrero.

Los investigadores ahora están investigando otros materiales que podrían usarse para la comunicación óptica en el chip.

La mayoría de los sistemas de telecomunicaciones, por ejemplo, operar usando luz con una longitud de onda de 1.3 o 1.5 micrómetros, Dice Jarillo-Herrero.

Sin embargo, ditelurida de molibdeno emite luz a 1,1 micrómetros. Esto lo hace adecuado para su uso en los chips de silicio que se encuentran en las computadoras, pero no apto para sistemas de telecomunicaciones.

"Sería muy deseable si pudiéramos desarrollar un material similar, que podría emitir y detectar luz a 1,3 o 1,5 micrómetros de longitud de onda, donde operan las telecomunicaciones a través de fibra óptica, " él dice.

Para tal fin, los investigadores están explorando otro material ultrafino llamado fósforo negro, que se puede ajustar para emitir luz en diferentes longitudes de onda alterando el número de capas utilizadas. Esperan desarrollar dispositivos con la cantidad necesaria de capas que les permitan emitir luz en las dos longitudes de onda sin dejar de ser compatibles con el silicio.

"La esperanza es que si somos capaces de comunicarnos en el chip a través de señales ópticas en lugar de señales electrónicas, podremos hacerlo más rápidamente, y mientras consume menos energía, "Dice Jarillo-Herrero.