Emitir luz a partir del silicio ha sido el Santo Grial en la industria de la microelectrónica durante décadas. Resolver este rompecabezas revolucionaría la informática, ya que los chips serán más rápidos que nunca. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven han desarrollado una aleación con silicio que puede emitir luz. Los resultados se han publicado en la revista Naturaleza . El equipo ahora desarrollará un láser de silicio para integrarlo en los chips actuales.

La tecnología actual basada en semiconductores está llegando a su techo. El factor limitante es el calor, resultante de la resistencia que experimentan los electrones cuando viajan a través de las líneas de cobre que conectan los muchos transistores en un chip. Para seguir avanzando en la transferencia de datos se requiere una nueva técnica que no produzca calor.

En contraste con los electrones, los fotones no experimentan resistencia. Como no tienen masa ni carga, se dispersarán menos dentro del material por el que viajan, y por lo tanto no se produce calor. Por tanto, se reducirá el consumo de energía. Es más, reemplazando la comunicación eléctrica dentro de un chip por comunicación óptica, la velocidad de la comunicación en chip y de chip a chip se puede incrementar en un factor de 1000. Los centros de datos se beneficiarían más, con una transferencia de datos más rápida y un menor uso de energía para los sistemas de refrigeración. Pero estos chips fotónicos también traerán nuevas aplicaciones al alcance. Piense en un radar basado en láser para automóviles autónomos y sensores químicos para diagnóstico médico o para medir la calidad del aire y los alimentos.

La caída de un electrón emite un fotón

El uso de luz en chips requiere un láser integrado. El principal material semiconductor del que están hechos los chips de computadora es el silicio. Pero el silicio a granel es extremadamente ineficiente para emitir luz, y durante mucho tiempo se pensó que no desempeñaba ningún papel en la fotónica. Por lo tanto, los científicos recurrieron a semiconductores más complejos, tales como arseniuro de galio y fosfuro de indio. Son buenos para emitir luz, pero son más caras que el silicio, y son difíciles de integrar en microchips de silicio existentes.

Para crear un láser compatible con silicio, los científicos necesitaban producir una forma de silicio que pudiera emitir luz. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven (TU / e), junto con investigadores de las universidades de Jena, Linz y Munich, silicio y germanio combinados en una estructura hexagonal que es capaz de emitir luz, un gran avance después de 50 años de trabajo.

Estructura hexagonal

"El quid está en la naturaleza de la llamada banda prohibida de un semiconductor, "dice el investigador principal Erik Bakkers de TU / e." Si un electrón 'cae' de la banda de conducción a la banda de valencia, un semiconductor emite un fotón:luz ".

Pero si la banda de conducción y la banda de valencia se desplazan entre sí, que se llama una banda prohibida indirecta, no se pueden emitir fotones, como es el caso del silicio. "Una teoría de 50 años mostró, sin embargo, que el silicio aleado con germanio y formado en una estructura hexagonal tiene una banda prohibida directa, y por lo tanto potencialmente podría emitir luz, "dice Bakkers.

Dar forma al silicio en una estructura hexagonal, sin embargo, no es fácil. A medida que Bakkers y su equipo dominaron la técnica de cultivo de nanocables, fueron capaces de crear silicio hexagonal en 2015. Se dieron cuenta de silicio hexagonal puro mediante el primer cultivo de nanocables hechos de otro material con una estructura de cristal hexagonal. Luego cultivaron una capa de silicio-germanio en esta plantilla. Elham Fadaly, primer autor compartido del Naturaleza papel, dice, "Pudimos hacer esto de tal manera que los átomos de silicio se construyen en la plantilla hexagonal, y por esto obligó a los átomos de silicio a crecer en la estructura hexagonal ".

Láser de silicio

Pero no pudieron hacerlos emitir luz, hasta ahora. El equipo de Bakkers logró aumentar la calidad de las cáscaras hexagonales de silicio-germanio al reducir el número de impurezas y defectos de cristales. Al excitar el nanoalambre con un láser, podrían medir la eficiencia del nuevo material. Alain Dijkstra, primer autor compartido y el investigador responsable de medir la emisión de luz, dice, "Nuestros experimentos demostraron que el material tiene la estructura correcta, y que esté libre de defectos. Emite luz de manera muy eficiente ".

Crear un láser ahora es cuestión de tiempo, Dice Bakkers. "Por ahora, nos hemos dado cuenta de propiedades ópticas que son casi comparables al fosfuro de indio y al arseniuro de galio, y la calidad de los materiales está mejorando considerablemente. Si las cosas van bien, podemos crear un láser basado en silicio en 2020. Esto permitiría una estrecha integración de la funcionalidad óptica en la plataforma electrónica dominante, lo que rompería las perspectivas de comunicación óptica en chip y sensores químicos asequibles basados ​​en espectroscopía ".

Mientras tanto, su equipo también está investigando cómo integrar el silicio hexagonal en microelectrónica de silicio cúbico, que es un requisito previo importante para este trabajo. Este proyecto de investigación ha sido financiado por el proyecto de la UE SiLAS, coordinado por el profesor Jos Haverkort de TU / e.