Un gran avance para los chips fotónicos

Durante 50 años, investigadores de todo el mundo han buscado una forma de construir láseres a partir de silicio o germanio. Un equipo de la Universidad Técnica de Eindhoven (TU/e) y de la Universidad Técnica de Munich (TUM) ha logrado desarrollar una aleación de germanio y silicio que puede emitir luz. Por lo tanto, el desarrollo de un láser de silicio que pueda integrarse en los chips actuales está al alcance de la mano por primera vez.

Los chips electrónicos se calientan cuando se transmiten los datos. El portátil de rodillas se calienta; los centros de datos requieren unidades de refrigeración con capacidad de megavatios. La fotónica podría proporcionar un remedio, porque los pulsos de luz no generan calor de desecho.

Por lo tanto, durante 50 años, los investigadores han tratado de construir láseres de silicio o germanio. Hasta ahora en vano. El silicio, el caballo de batalla de la industria de los chips, normalmente se cristaliza en una red cristalina cúbica. En esta forma no es adecuado para la conversión de electrones en luz.

Junto con colegas de la Universidad Técnica de Munich y las universidades de Jena y Linz, investigadores de la Universidad Técnica de Eindhoven han logrado desarrollar aleaciones de germanio y silicio que pueden emitir luz.

El factor decisivo fue producir germanio y aleaciones de germanio y silicio con una red cristalina hexagonal. "Este material tiene una brecha de banda directa y por lo tanto puede generar luz por sí mismo", dice el Prof. Jonathan Finley, Profesor de Nanoestructuras de Semiconductores y Sistemas Cuánticos de la Universidad Técnica de Munich.

El truco con la plantilla

Ya en 2015, el Prof. Erik Bakkers y su equipo en la Universidad Técnica de Eindhoven lograron producir silicio hexagonal. Para ello, primero cultivaron nanohilos hechos de un material diferente con una estructura cristalina hexagonal y los recubrieron con una capa de germanio y silicio. El material subyacente también forzó una estructura hexagonal en la aleación de germanio-silicio.

Pero las estructuras no pudieron ser hechas para brillar al principio. En un intercambio con los colegas del Instituto Walter Schottky de la Universidad Técnica de Munich, que analizaron las propiedades ópticas generación tras generación durante el proceso de optimización, finalmente fue posible mejorar el proceso de fabricación para que los nanohilos pudieran realmente emitir luz.

"Mientras tanto, hemos logrado propiedades ópticas casi comparables al fosfuro de indio o al arseniuro de galio", dice Bakkers. La construcción de un láser hecho de aleaciones de germanio-silicio que pueda integrarse en los procesos de fabricación estándar parece sólo una cuestión de tiempo.

"Si podemos hacer la comunicación electrónica en un chip y de chip a chip ópticamente, esto puede aumentar la velocidad en un factor de hasta 1000, dice Jonathan Finley. "Además, el acoplamiento directo de la óptica y la electrónica podría hacer que los chips para el radar basado en láser para coches autopropulsados, para los sensores químicos para el diagnóstico médico o para la medición de la calidad del aire y de los alimentos sean dramáticamente más baratos".