Cuando se trata de microelectrónica, hay un elemento químico como ningún otro:el silicio, el caballo de batalla de la tecnología de transistores que impulsa nuestra sociedad de la información. Los innumerables dispositivos electrónicos que utilizamos en la vida cotidiana son un testimonio de cómo en la actualidad se pueden producir volúmenes muy altos de componentes basados ​​en silicio a un costo muy bajo. Parece natural luego, utilizar silicio también en otras áreas donde las propiedades de los semiconductores, como el silicio es uno, se explotan tecnológicamente, y explorar formas de integrar diferentes funcionalidades. De particular interés en este contexto son los láseres de diodo, como los empleados en escáneres de códigos de barras o punteros láser, que se basan típicamente en arseniuro de galio (GaAs). Desafortunadamente, sin embargo, los procesos físicos que crean luz en GaAs no funcionan tan bien en silicio. Por tanto, sigue siendo un destacado, y de larga data, objetivo para encontrar una ruta alternativa para realizar un "láser sobre silicio".

Escribiendo hoy en Letras de física aplicada , un equipo internacional liderado por los profesores Giacomo Scalari y Jérôme Faist del Instituto de Electrónica Cuántica representa un paso importante hacia tal dispositivo. Informan electroluminiscencia (generación de luz eléctrica) a partir de una estructura semiconductora basada en silicio-germanio (SiGe), un material que es compatible con los procesos de fabricación estándar utilizados para dispositivos de silicio. Es más, la emisión que observaron está en la banda de frecuencia de terahercios, que se encuentra entre los de la electrónica de microondas y la óptica infrarroja, y es de gran interés en la actualidad con vistas a una variedad de aplicaciones.

Haz que la silicona brille

La razón principal por la que el silicio no se puede usar directamente para construir un seguimiento láser para la plantilla de GaAs tiene que ver con la diferente naturaleza de sus espacios de banda, que es directo en el segundo pero indirecto en el primero. En una palabra, en GaAs, los electrones se recombinan con huecos a través de la banda prohibida produciendo luz; en silicio, producen calor. La acción del láser en el silicio requiere, por tanto, otro camino. Y explorar un enfoque nuevo es lo que están haciendo el investigador de doctorado de ETH David Stark y sus colegas. Trabajan hacia un láser de cascada cuántica basado en silicio (QCL). Los QCL logran la emisión de luz no por recombinación de huecos de electrones a través de la banda prohibida, pero al permitir que los electrones atraviesen pilas repetidas de estructuras semiconductoras diseñadas con precisión, durante cuyo proceso se emiten fotones.

El paradigma QCL ha sido demostrado en varios materiales, por primera vez en 1994 por un equipo que incluía a Jérôme Faist, luego trabajó en Bell Laboratories en los EE. UU., pero nunca en laboratorios basados ​​en silicio, a pesar de las predicciones prometedoras. Convertir estas predicciones en realidad es el foco de un proyecto interdisciplinario financiado por la Comisión Europea, reuniendo a un equipo de expertos líderes en el cultivo de materiales semiconductores de la más alta calidad (en la Università Roma Tre), caracterizarlos (en el Leibniz-Institut für innovador Mikroelektronik en Frankfurt an der Oder) y fabricarlos en dispositivos (en la Universidad de Glasgow). El grupo ETH de Scalari y Faist se encarga de realizar las medidas en los dispositivos, sino también para el diseño del láser, con el apoyo numérico y teórico de los socios de la empresa nextnano en Munich y de las Universidades de Pisa y Roma.

De la electroluminiscencia al láser

Con este conocimiento y experiencia combinados, el equipo diseñó y construyó dispositivos con una estructura unitaria hecha de SiGe y germanio puro (Ge), menos de 100 nanómetros de altura, que se repite 51 veces. De estas heteroestructuras, fabricado con precisión esencialmente atómica, Stark y sus compañeros de trabajo detectaron electroluminiscencia, como se predijo, con las características espectrales de la luz emergente concordando bien con los cálculos. Una mayor confianza en que los dispositivos funcionan según lo previsto provino de una comparación con una estructura basada en GaAs que se fabricó con una geometría de dispositivo idéntica. Considerando que la emisión de la estructura Ge / SiGe sigue siendo significativamente menor que la de su contraparte basada en GaAs, Estos resultados indican claramente que el equipo va por buen camino. El siguiente paso será ahora ensamblar estructuras Ge / SiGe similares de acuerdo con un diseño láser que desarrolló el equipo. El objetivo final es alcanzar el funcionamiento a temperatura ambiente de un QCL basado en silicio.

Tal logro sería significativo en varios aspectos. No solo lo haría, por fin, realizar un láser sobre un sustrato de silicio, dando así un impulso a la fotónica de silicio. La emisión de la estructura creada por Stark et al. está en la región de terahercios, por lo que actualmente faltan ampliamente las fuentes de luz compactas. QCL a base de silicio, con su versatilidad potencial y costo de fabricación reducido, podría ser de gran ayuda para el uso a gran escala de la radiación de terahercios en campos de aplicación nuevos y existentes, desde imágenes médicas hasta comunicación inalámbrica.