L'emissione di luce dal silicio è stata per decenni il Santo Graal nell'industria della microelettronica. Risolvere questo enigma rivoluzionerebbe l'informatica, poiché i chip diventeranno più veloci che mai. I ricercatori della Eindhoven University of Technology hanno ora sviluppato una lega con silicio in grado di emettere luce. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Natura . Il team ora svilupperà un laser al silicio da integrare nei chip attuali.

L'attuale tecnologia basata sui semiconduttori sta raggiungendo il suo limite. Il fattore limitante è il calore, derivante dalla resistenza che gli elettroni sperimentano quando viaggiano attraverso le linee di rame che collegano i numerosi transistor su un chip. Per continuare a far progredire il trasferimento dei dati è necessaria una nuova tecnica che non produca calore.

A differenza degli elettroni, i fotoni non sperimentano resistenza. Poiché non hanno massa o carica, si disperderanno meno all'interno del materiale che attraversano, e quindi non si produce calore. Il consumo di energia sarà quindi ridotto. Inoltre, sostituendo la comunicazione elettrica all'interno di un chip con la comunicazione ottica, la velocità della comunicazione on-chip e chip-to-chip può essere aumentata di un fattore 1000. I data center ne trarrebbero i maggiori vantaggi, con un trasferimento dati più veloce e un minor consumo di energia per i sistemi di raffreddamento. Ma questi chip fotonici porteranno anche nuove applicazioni a portata di mano. Pensa ai radar basati su laser per le auto a guida autonoma e ai sensori chimici per la diagnosi medica o per misurare la qualità dell'aria e degli alimenti.

La caduta di un elettrone emette un fotone

L'uso della luce nei chip richiede un laser integrato. Il principale materiale semiconduttore di cui sono fatti i chip dei computer è il silicio. Ma il silicio sfuso è estremamente inefficiente nell'emettere luce, ed è stato a lungo pensato per non svolgere alcun ruolo nella fotonica. Così, gli scienziati si sono rivolti a semiconduttori più complessi, come l'arseniuro di gallio e il fosfuro di indio. Questi sono bravi a emettere luce, ma sono più costosi del silicio, e sono difficili da integrare nei microchip di silicio esistenti.

Per creare un laser compatibile con il silicio, gli scienziati avevano bisogno di produrre una forma di silicio in grado di emettere luce. Ricercatori della Eindhoven University of Technology (TU/e), insieme a ricercatori delle università di Jena, Linz e Monaco di Baviera, silicio e germanio combinati in una struttura esagonale in grado di emettere luce, una svolta dopo 50 anni di lavoro.

Struttura esagonale

"Il punto cruciale è nella natura del cosiddetto gap di banda di un semiconduttore, " dice il ricercatore capo Erik Bakkers di TU/e. "Se un elettrone 'cade' dalla banda di conduzione alla banda di valenza, un semiconduttore emette un fotone:la luce."

Ma se la banda di conduzione e la banda di valenza sono spostate l'una rispetto all'altra, che è chiamato un gap di banda indiretto, non possono essere emessi fotoni, come nel caso del silicio. "Una teoria di 50 anni ha mostrato, però, che il silicio legato al germanio e modellato in una struttura esagonale ha un band gap diretto, e quindi potenzialmente potrebbe emettere luce, "dice Bakker.

Silicone sagomato in una struttura esagonale, però, non è facile. Mentre Bakkers e il suo team padroneggiavano la tecnica di crescita dei nanofili, sono stati in grado di creare silicio esagonale nel 2015. Hanno realizzato silicio esagonale puro coltivando prima nanofili realizzati con un altro materiale con una struttura cristallina esagonale. Quindi hanno coltivato un guscio di silicio-germanio su questo modello. Elham Fadaly, condiviso primo autore del Natura carta, dice, "Siamo stati in grado di farlo in modo tale che gli atomi di silicio siano costruiti sul modello esagonale, e da questo ha costretto gli atomi di silicio a crescere nella struttura esagonale."

laser al silicio

Ma non potevano farle emettere luce, fino ad ora. Il team di Bakkers è riuscito ad aumentare la qualità dei gusci esagonali di silicio-germanio riducendo il numero di impurità e difetti dei cristalli. Quando si eccita il nanofilo con un laser, potevano misurare l'efficienza del nuovo materiale. Alain Dijkstra, condiviso primo autore e ricercatore responsabile della misurazione dell'emissione luminosa, dice, "I nostri esperimenti hanno dimostrato che il materiale ha la struttura giusta, e che è esente da difetti. Emette luce in modo molto efficiente."

Creare un laser è ormai una questione di tempo, dice Bakker. "Da adesso, abbiamo realizzato proprietà ottiche quasi paragonabili al fosfuro di indio e all'arseniuro di gallio, e la qualità dei materiali sta migliorando notevolmente. Se le cose vanno lisce, possiamo creare un laser a base di silicio nel 2020. Ciò consentirebbe una stretta integrazione della funzionalità ottica nella piattaforma elettronica dominante, che romperebbe le prospettive di comunicazione ottica su chip e sensori chimici convenienti basati sulla spettroscopia".

Intanto, il suo team sta anche studiando come integrare il silicio esagonale nella microelettronica del silicio cubico, che è un prerequisito importante per questo lavoro. Questo progetto di ricerca è stato finanziato dal progetto UE SiLAS, coordinato dal professore TU/e ​​Jos Haverkort.