Quando si parla di microelettronica, esiste un elemento chimico come nessun altro:silicio, il cavallo di battaglia della tecnologia dei transistor che guida la nostra società dell'informazione. Gli innumerevoli dispositivi elettronici che utilizziamo nella vita di tutti i giorni sono una testimonianza di come oggi sia possibile produrre volumi molto elevati di componenti a base di silicio a costi molto bassi. Sembra naturale, poi, utilizzare il silicio anche in altri ambiti dove le proprietà dei semiconduttori, come il silicio, sono sfruttate tecnologicamente, e per esplorare modi per integrare diverse funzionalità. Di particolare interesse in questo contesto sono i laser a diodi, come quelli impiegati nei lettori di codici a barre o nei puntatori laser, che sono tipicamente a base di arseniuro di gallio (GaAs). Purtroppo però, i processi fisici che creano luce nel GaAs non funzionano così bene nel silicio. Rimane quindi eccezionale, e di lunga data, obiettivo di trovare un percorso alternativo per realizzare un "laser su silicio".

Scrivendo oggi in Lettere di fisica applicata , un team internazionale guidato dai professori Giacomo Scalari e Jérôme Faist dell'Istituto per l'elettronica quantistica presenta un passo importante verso un tale dispositivo. Riportano l'elettroluminescenza, la generazione di luce elettrica, da una struttura a semiconduttore basata su silicio-germanio (SiGe), un materiale compatibile con i processi di fabbricazione standard utilizzati per i dispositivi in ​​silicio. Inoltre, l'emissione che hanno osservato è nella banda di frequenza terahertz, che si colloca tra quelli dell'elettronica a microonde e dell'ottica a infrarossi, ed è di grande interesse attuale in vista di una varietà di applicazioni.

Fai brillare il silicone

Il motivo principale per cui il silicio non può essere utilizzato direttamente per costruire un laser seguendo il modello GaAs ha a che fare con la diversa natura dei loro band gap, che è diretto nel secondo ma indiretto nel primo. In poche parole, in GaAs gli elettroni si ricombinano con lacune attraverso il bandgap producendo luce; in silicio, producono calore. L'azione del laser nel silicio richiede quindi un altro percorso. Ed esplorare un nuovo approccio è ciò che stanno facendo il ricercatore di dottorato dell'ETH David Stark e i suoi colleghi. Lavorano verso un laser a cascata quantica a base di silicio (QCL). I QCL raggiungono l'emissione di luce non per ricombinazione elettrone-lacuna attraverso il bandgap, ma facendo passare gli elettroni attraverso pile ripetute di strutture semiconduttrici progettate con precisione, durante il quale vengono emessi fotoni di processo.

Il paradigma QCL è stato dimostrato in numerosi materiali, per la prima volta nel 1994 da un team che comprendeva Jérôme Faist, poi lavorando ai Bell Laboratories negli Stati Uniti, ma mai in quelli a base di silicio, nonostante le previsioni promettenti. Trasformare queste previsioni in realtà è al centro di un progetto interdisciplinare finanziato dalla Commissione Europea, riunire un team di massimi esperti nella coltivazione di materiali semiconduttori di altissima qualità (presso l'Università Roma Tre), caratterizzandoli (presso il Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik di Francoforte sull'Oder) e trasformandoli in dispositivi (presso l'Università di Glasgow). Il gruppo ETH di Scalari e Faist è responsabile dell'esecuzione delle misurazioni sui dispositivi, ma anche per la progettazione del laser, con il supporto numerico e teorico dei partner della società nextnano di Monaco e delle Università di Pisa e Roma.

Dall'elettroluminescenza al laser

Con queste conoscenze e competenze unite, il team ha progettato e costruito dispositivi con una struttura unitaria in SiGe e germanio puro (Ge), meno di 100 nanometri di altezza, che si ripete 51 volte. Da queste eterostrutture, fabbricato con precisione essenzialmente atomica, Stark e colleghi hanno rilevato l'elettroluminescenza, come previsto, con le caratteristiche spettrali della luce emergente che concordano bene con i calcoli. Un'ulteriore sicurezza che i dispositivi funzionino come previsto è derivata dal confronto con una struttura basata su GaAs che è stata fabbricata con la stessa geometria del dispositivo. Considerando che l'emissione dalla struttura Ge/SiGe è ancora significativamente inferiore rispetto alla sua controparte basata su GaAs, questi risultati segnalano chiaramente che la squadra è sulla strada giusta. Il prossimo passo sarà ora quello di assemblare strutture Ge/SiGe simili secondo un progetto laser sviluppato dal team. L'obiettivo finale è raggiungere il funzionamento a temperatura ambiente di un QCL a base di silicio.

Un risultato del genere sarebbe significativo sotto diversi aspetti. Non solo sarebbe, finalmente, realizzare un laser su un substrato di silicio, portando così una spinta alla fotonica del silicio. L'emissione della struttura creata da Stark et al. è nella regione dei terahertz, per le quali attualmente mancano ampiamente le sorgenti luminose compatte. QCL a base di silicio, con la loro potenziale versatilità e costi di fabbricazione ridotti, potrebbe essere un vantaggio per l'uso su larga scala della radiazione terahertz in campi di applicazione esistenti e nuovi, dall'imaging medico alla comunicazione wireless.