Luces encendidas para la fotónica de silicio
La demostración de la electroluminiscencia a frecuencias de terahercios de un dispositivo de silicio-germanio marca un paso clave hacia el objetivo largamente buscado de un láser basado en el silicio
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 hoy en día se pueden producir volúmenes muy elevados de componentes basados en el silicio a muy bajo coste. Parece natural, pues, utilizar el silicio también en otros ámbitos en los que se explotan tecnológicamente las propiedades de los semiconductores -como el silicio- y explorar formas de integrar distintas funcionalidades. En este contexto, resultan especialmente interesantes los láseres de diodo, como los empleados en los escáneres de códigos de barras o los punteros láser, que suelen basarse en el arseniuro de galio (GaAs). Por desgracia, los procesos físicos que generan luz en el GaAs no funcionan tan bien en el silicio. Por ello, sigue siendo un objetivo pendiente desde hace tiempo encontrar una vía alternativa para realizar un "láser sobre silicio".
Imágenes de microscopía electrónica de transmisión (STEM) de una de las heteroestructuras de Ge/SiGe a diferentes aumentos. Las capas de SiGe aparecen más oscuras.
Università Roma Tre, De Seta Group
En Applied Physics Letters, un equipo internacional dirigido por los profesores Giacomo Scalari y Jérôme Faist, del Instituto de Electrónica Cuántica, presenta un importante paso hacia ese dispositivo. Informan de la electroluminiscencia -generación de luz eléctrica- de una estructura semiconductora basada en silicio-germanio (SiGe), un material compatible con los procesos de fabricación estándar utilizados para los dispositivos de silicio. Además, la emisión que han observado se encuentra en la banda de frecuencias de los terahercios, que se sitúa entre las de la electrónica de microondas y la óptica de infrarrojos, y es de gran interés actual de cara a diversas aplicaciones.
Hacer brillar el silicio
La principal razón por la que el silicio no puede utilizarse directamente para construir un láser siguiendo la plantilla del GaAs tiene que ver con la diferente naturaleza de sus huecos de banda, que es directa en el segundo pero indirecta en el primero. En pocas palabras, en el GaAs los electrones se recombinan con los huecos a través de la banda prohibida produciendo luz; en el silicio, producen calor. Por tanto, la acción del láser en el silicio requiere otro camino. Y explorar un nuevo enfoque es lo que están haciendo el investigador doctoral de la ETH David Stark y sus colegas. Trabajan para conseguir un láser de cascada cuántica (QCL) basado en el silicio. Los QCL consiguen la emisión de luz no mediante la recombinación de electrones y agujeros a través de la banda prohibida, sino dejando que los electrones atraviesen repetidas pilas de estructuras semiconductoras diseñadas con precisión, durante cuyo proceso se emiten fotones.
El paradigma QCL se ha demostrado en varios materiales -por primera vez en 1994 por un equipo que incluía a Jérôme Faist, que entonces trabajaba en los Laboratorios Bell de Estados Unidos-, pero nunca en los basados en el silicio, a pesar de las prometedoras predicciones. Convertir estas predicciones en realidad es el objetivo de un proyecto interdisciplinar financiado por la Comisión Europea, que reúne a un equipo de destacados expertos en el cultivo de materiales semiconductores de máxima calidad (en la Università Roma Tre), en su caracterización (en el Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik de Frankfurt an der Oder) y en la fabricación de dispositivos (en la Universidad de Glasgow). El grupo de Scalari y Faist de la ETH se encarga de realizar las mediciones en los dispositivos, pero también del diseño del láser, con el apoyo numérico y teórico de los socios de la empresa nextnano de Múnich y de las universidades de Pisa y Roma.
De la electroluminiscencia al láser
Con este conjunto de conocimientos y experiencia, el equipo diseñó y construyó dispositivos con una estructura unitaria hecha de SiGe y germanio puro (Ge), de menos de 100 nanómetros de altura, que se repite 51 veces. A partir de estas heteroestructuras, fabricadas con una precisión esencialmente atómica, Stark y sus colaboradores detectaron electroluminiscencia, tal y como se había predicho, y las características espectrales de la luz emergente concordaban bien con los cálculos. La comparación con una estructura basada en GaAs, fabricada con una geometría idéntica, les dio la seguridad de que los dispositivos funcionaban según lo previsto. Aunque la emisión de la estructura de Ge/SiGe sigue siendo significativamente menor que la de su homóloga de GaAs, estos resultados indican claramente que el equipo va por buen camino. El siguiente paso será ensamblar estructuras similares de Ge/SiGe según un diseño de láser desarrollado por el equipo. El objetivo final es lograr el funcionamiento a temperatura ambiente de un QCL basado en silicio.
Este logro sería importante en varios aspectos. No sólo supondría, por fin, la realización de un láser en un sustrato de silicio, lo que supondría un impulso para la fotónica de silicio. La emisión de la estructura creada por Stark et al. se encuentra en la región de los terahercios, para la que actualmente faltan fuentes de luz compactas. Los QCL basados en el silicio, con su potencial versatilidad y su reducido coste de fabricación, podrían suponer una gran ayuda para el uso a gran escala de la radiación de terahercios en campos de aplicación existentes y nuevos, desde la imagen médica hasta la comunicación inalámbrica.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Stark D, Mirza M, Persichetti L, Montanari M, Markmann S, Beck M, Grange T, Birner S, Virgilio M, Ciano C, Ortolani M, Corley C, Capellini G, Di Gaspare L, De Seta M, Paul DJ, Faist J, Scalari G; "THz intersubband electroluminescence from n-type Ge/SiGe quantum cascade structures"; Appl. Phys. Lett. 118, 101101 (2021)
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