Una nuova fonte di luce per l’industria dei chip: leghe silicio-germanio che emettono luce

Negli ultimi 50 anni, i ricercatori di tutto il mondo hanno cercato un modo per realizzare laser con silicio o germanio. Un team dell’Università tecnica di Eindhoven e dell’Università tecnica di Monaco è ora riuscito a sviluppare leghe a emissione di silicio-germanio. Di conseguenza, lo sviluppo di un laser al silicio in grado di integrarsi nei chip di oggi è a portata di mano per la prima volta.

I chip elettronici producono calore durante l’elaborazione dei dati. Il laptop inizia a sentirsi a disagio caldo sulle ginocchia dell’utente; i data center necessitano di apparecchiature di raffreddamento che richiedono molta energia. La soluzione potrebbe trovarsi nel campo della fotonica, perché gli impulsi luminosi non emettono calore.

Nell’ultimo mezzo secolo, questa intuizione ha guidato gli sforzi dei ricercatori per costruire laser a base di silicio o germanio – finora invano. Il silicio, il cavallo di battaglia dell’industria dei chip, normalmente si cristallizza in un reticolo cristallino cubico. In questa forma non è adatto per convertire elettroni in luce.

Insieme ai colleghi dell’Università tecnica di Monaco e delle università di Jena e Linz, i ricercatori dell’Università tecnica di Eindhoven hanno ora sviluppato leghe di germanio e silicio in grado di emettere luce.

Il passo cruciale è stata la capacità di produrre germanio e leghe da germanio e silicio con un reticolo cristallino esagonale. “Questo materiale ha un gap di banda diretto e può quindi emettere luce stessa”, afferma il prof. Jonathan Finley, professore di semiconduttori Quantum Nanosystems presso TUM.

Il prof. Erik Bakkers e il suo team di TU Eindhoven hanno prodotto per la prima volta silicio esagonale nel 2015. Hanno iniziato sviluppando una struttura di cristallo esagonale con nanofili realizzati con un altro materiale. Questo è servito da modello per un guscio germanio-silicio sul quale il materiale sottostante ha imposto la sua struttura di cristallo esagonale.

Inizialmente, tuttavia, queste strutture non potevano essere stimolate a emettere luce. Attraverso lo scambio di idee con i colleghi del Walter Schottky Institute dell’Università Tecnica di Monaco, che hanno analizzato le caratteristiche ottiche con ogni generazione successiva, il processo di produzione è stato infine ottimizzato ad un grado di perfezione in cui i nanofili erano effettivamente in grado di emettere luce.

“Nel frattempo, abbiamo raggiunto proprietà quasi paragonabili al fosfuro di indio o all’arsenuro di gallio”, afferma il prof. Bakkers. Di conseguenza, sembra essere solo una questione di tempo prima che venga sviluppato un laser a base di leghe germanio-silicio e in grado di integrarsi nei processi di produzione convenzionali.

“Se siamo in grado di implementare comunicazioni elettroniche su chip e inter-chip con mezzi ottici, le velocità possono essere aumentate di un fattore fino a 1.000”, afferma Jonathan Finley. “Inoltre, la combinazione diretta di ottica ed elettronica potrebbe ridurre drasticamente il costo dei chip per radar basati su laser in auto a guida autonoma, sensori chimici per diagnostica medica e misurazioni della qualità dell’aria e degli alimenti.”