La última pieza que faltaba en la fotónica del silicio
Un equipo internacional de investigación logra un hito
Científicos del Forschungszentrum Jülich, FZJ, la Universidad de Stuttgart y el Instituto Leibniz de Microelectrónica de Alto Rendimiento (IHP), junto con su socio francés CEA-Leti, han desarrollado el primer láser semiconductor de onda continua bombeado eléctricamente y compuesto exclusivamente por elementos del cuarto grupo de la tabla periódica, el "grupo del silicio". Construido a partir de capas ultrafinas apiladas de germanio-estaño y germanio-estaño-silicio, este nuevo láser es el primero de su clase cultivado directamente en una oblea de silicio, lo que abre nuevas posibilidades para la fotónica integrada en chip. Los resultados se han publicado en la prestigiosa revista científica Nature Communications.
El rápido crecimiento de la inteligencia artificial (IA) y el Internet de las cosas (IoT) están impulsando la demanda de hardware cada vez más potente y eficiente desde el punto de vista energético. La transmisión óptica de datos, con su capacidad para transferir grandes cantidades de datos minimizando la pérdida de energía, es ya el método preferido para distancias superiores a un metro y está demostrando ser ventajoso incluso para distancias más cortas. Esta evolución apunta hacia futuros microchips que incorporen circuitos integrados fotónicos (PIC) de bajo coste, lo que supondrá un importante ahorro de costes y una mejora de las prestaciones.
En los últimos años se ha avanzado mucho en la integración monolítica de componentes ópticamente activos en chips de silicio. Se han desarrollado componentes clave, como moduladores de alto rendimiento, fotodetectores y guías de ondas. Sin embargo, la falta de una fuente de luz eficiente, bombeada eléctricamente y que utilice sólo semiconductores del grupo IV ha sido durante mucho tiempo un reto. Hasta ahora, este tipo de fuentes de luz se han basado tradicionalmente en materiales III-V, cuya integración con el silicio resulta difícil y, por tanto, cara. Este nuevo láser resuelve esa carencia, haciéndolo compatible con la tecnología CMOS convencional para la fabricación de chips y apto para integrarse sin problemas en los procesos de fabricación de silicio existentes. Por tanto, podría considerarse la "última pieza que faltaba" en la caja de herramientas de la fotónica del silicio.
"Llevamos casi una década explorando las fascinantes posibilidades de las aleaciones de germanio y estaño (GeSn). El desarrollo de un láser eficiente bombeado eléctricamente ha sido uno de nuestros principales objetivos desde el principio. Este avance es una prueba más del enorme potencial de las aleaciones de GeSn para diferentes aplicaciones, en este caso concreto para aplicaciones fotónicas", Dr. Dan Buca, Peter Grünberg Institute - Semiconductor Nanoelectronics (PGI-9).
Por primera vez, los investigadores han demostrado el funcionamiento en onda continua de un láser del Grupo IV bombeado eléctricamente sobre silicio. A diferencia de los anteriores láseres de germanio-estaño, que dependían de un bombeo óptico de alta energía, este nuevo láser funciona con una inyección de corriente baja, de sólo 5 miliamperios (mA) a 2 voltios (V), comparable al consumo de energía de un diodo emisor de luz. Con su avanzada estructura de pozos multicuánticos y geometría anular, el láser minimiza el consumo de energía y la generación de calor, lo que permite un funcionamiento estable hasta 90 Kelvin (K) o menos 183,15 grados Celsius (°C).
Cultivado en obleas de silicio estándar como las que se utilizan para los transistores de silicio, representa el primer láser del Grupo IV realmente "utilizable", aunque se necesitan más optimizaciones para reducir aún más el umbral de láser y lograr un funcionamiento a temperatura ambiente. Sin embargo, el éxito de los anteriores láseres de germanio-estaño bombeados ópticamente, que han pasado del funcionamiento criogénico a la temperatura ambiente en sólo unos pocos años, sugiere un claro camino a seguir.
En un láser bombeado ópticamente, se necesita una fuente de luz externa para generar la luz láser, mientras que el láser bombeado eléctricamente genera luz cuando una corriente eléctrica pasa por el diodo. Los láseres bombeados eléctricamente suelen ser más eficientes energéticamente, ya que convierten directamente la electricidad en luz láser.
El grupo de investigación, dirigido por el Dr. Buca del PGI-9 del Forschungszentrum Jülich, lleva años siendo pionero en las aleaciones del Grupo IV basadas en estaño, colaborando con socios como el PHI, la Universidad de Stuttgart, el CEA-Leti, el C2N-Université Paris-Sud y el Politecnico di Milano. Ya han demostrado su potencial para aplicaciones en fotónica, electrónica, termoeléctrica y espintrónica. Con este nuevo logro, la visión de la fotónica del silicio como solución integral para la próxima generación de microchips está ya al alcance de la mano.
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Publicación original
Lukas Seidel, Teren Liu, Omar Concepción, Bahareh Marzban, Vivien Kiyek, Davide Spirito, Daniel Schwarz, Aimen Benkhelifa, Jörg Schulze, Zoran Ikonic, Jean-Michel Hartmann, Alexei Chelnokov, Jeremy Witzens, Giovanni Capellini, Michael Oehme, Detlev Grützmacher, Dan Buca; "Continuous-wave electrically pumped multi-quantum-well laser based on group-IV semiconductors"; Nature Communications, Volume 15, 2024-12-3
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