Uno sguardo all'interno del Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). Questa macchina è stata utilizzata per far crescere i nanofili con gusci esagonali di silicio-germanio. Foto: Nando Harmsen, TU/e.

Intorduzione

L’emissione di luce dal silicio è stata il “Santo Graal” nel settore della microelettronica per decenni. Risolvere questo enigma rivoluzionerebbe l’informatica, poiché i chip diventeranno più veloci che mai. I ricercatori dell’Università di Tecnologia di Eindhoven ci sono ora riusciti: hanno sviluppato una lega con silicio che può emettere luce. Il team inizierà ora a creare un laser al silicio da integrare nei chip attuali.

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature. 

Problemi di calore

Ogni anno utilizziamo e produciamo molti più dati. Ma la nostra attuale tecnologia, basata su chip elettronici, sta raggiungendo il suo massimo. Il fattore limitante è il calore, risultante dalla resistenza che sperimentano gli elettroni quando viaggiano attraverso le linee di rame che collegano i numerosi transistor su un chip. 

Se vogliamo continuare a trasferire sempre più dati ogni anno, abbiamo bisogno di una nuova tecnica che non produca calore. Da qui il ricorso alla fotonica, che utilizza i fotoni (particelle di luce) per trasferire i dati.

Elham Fadaly, primo autore condiviso, gestisce l'epitassia in fase di vapore organica in metallo (MOVPE).  Questa macchina fa crescere i nanofili con gusci esagonali di silicio-germanio.  Foto: Sicco van Grieken, SURF.
Elham Fadaly gestisce l’epitassia nella Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). Questa macchina fa crescere i nanofili con gusci esagonali di silicio-germanio. Foto: Sicco van Grieken, SURF.

Contrariamente agli elettroni, i fotoni non subiscono resistenza. Poiché non hanno massa o carica, si disperderanno di meno all’interno del materiale attraverso il quale viaggiano, e quindi non viene prodotto calore. Il consumo di energia sarà quindi ridotto. 

Inoltre, sostituendo la comunicazione elettrica all’interno di un chip con la comunicazione ottica, la velocità della comunicazione on-chip e chip-to-chip può essere aumentata di un fattore 1000. I data center trarrebbero maggiori benefici, con un trasferimento più veloce dei dati e un minore consumo di energia per i loro sistema di raffreddamento.

Ma questi chip fotonici porteranno anche a portata di mano nuove applicazioni. Pensa al radar basato su laser per auto a guida autonoma e sensori chimici per la diagnosi medica o per misurare la qualità dell’aria e degli alimenti.

L’Elettrone che cade emette un fotone

Per usare la luce nei chip, avrai bisogno di una fonte di luce; un laser integrato. Il principale materiale semiconduttore di cui sono fatti i chip per computer è il silicio. Ma il silicio di massa è estremamente inefficiente nell’emettere luce e così si pensava da tempo che non avesse alcun ruolo nella fotonica. Pertanto, gli scienziati si sono rivolti a semiconduttori più complessi, come l’arseniuro di gallio e il fosfuro di indio. Questi sono buoni ad emettere luce ma sono più costosi del silicio e sono difficili da integrare nei microchip di silicio esistenti.

Per creare un laser compatibile con silicio, gli scienziati dovevano produrre una forma di silicio in grado di emettere luce. Questo è esattamente ciò in cui i ricercatori dell’Università di Tecnologia di Eindhoven (TU/e) sono ora riusciti a fare. Insieme ai ricercatori delle Università di Jena, Linz e Monaco di Baviera, hanno combinato silicio e germanio in una struttura esagonale in grado di emettere luce. Una svolta dopo 50 anni di lavoro.

Nanofili con gusci esagonali di silicio-germanio.
Nanofili con gusci esagonali di silicio-germanio.

Sruttura esagonale

Il punto cruciale è nella natura del cosiddetto gap di banda di un semiconduttore“, afferma il ricercatore capo Erik Bakkers del TU/e. “Se un elettrone” cade “dalla banda di conduzione alla banda di valenza, un semiconduttore emette un fotone: luce“. Ma se la banda di conduzione e la banda di valenza vengono spostate l’una rispetto all’altra, che è chiamata gap di banda indiretta, non è possibile emettere fotoni, come nel caso del silicio. “Una teoria vecchia di 50 anni ha mostrato tuttavia che il silicio, legato con germanio, sagomato in una struttura esagonale non ha un band gap diretto, e quindi potenzialmente potrebbe emettere luce”, afferma Bakkers.

Modellare il silicio in una struttura esagonale, tuttavia, non è facile. Bakkers e il suo team padroneggiano la tecnica di coltivazione di nanofili e sono stati in grado di creare silicio esagonale già nel 2015. Hanno realizzato silicio esagonale puro con nanofili di prima crescita realizzati con un altro materiale, con una struttura di cristallo esagonale. Quindi hanno sviluppato un guscio di silicio-germanio su questo modello. 

Elham Fadaly, prima autorice condiviso dell’articolo di Nature: “Siamo stati in grado di farlo in modo tale che gli atomi di silicio siano costruiti sul modello esagonale e da questo abbiamo costretto gli atomi di silicio a crescere nella struttura esagonale“.

Laser al silicio

Ma non potevano ancora fargli emettere luce, fino ad ora. Il team Bakkers è riuscito ad aumentare la qualità dei gusci esagonali di silicio-germanio riducendo il numero di impurità e difetti dei cristalli. Quando eccitano il nanofilo con un laser, potrebbero misurare l’efficienza del nuovo materiale. Alain Dijkstra, inoltre, che ha partecipato alla ricerca ed è responsabile della misurazione dell’emissione luminosa, afferma: “I nostri esperimenti hanno dimostrato che il materiale ha la struttura giusta e che è privo di difetti. Emette luce in modo molto efficiente“.

I primi autori condivisi Elham Fadaly (a sinistra) e Alain Dijkstra (a destra) gestiscono una configurazione ottica per misurare la luce emessa.  L'emissione dalla lega esagonale-SiGe si è dimostrata molto efficiente e adatta per iniziare a produrre un laser compatibile con silicio.  Foto: Sicco van Grieken, SURF.
I primi autori condivisi Elham Fadaly (a sinistra) e Alain Dijkstra (a destra) gestiscono una configurazione ottica per misurare la luce emessa. L’emissione dalla lega esagonale-SiGe si è dimostrata molto efficiente e adatta per iniziare a produrre un laser compatibile con silicio. Foto: Sicco van Grieken, SURF.

Creare un laser ora è una questione di tempo, pensa Bakkers. “Ormai abbiamo realizzato proprietà ottiche che sono quasi paragonabili al fosfuro di indio e all’arseniuro di gallio e la qualità dei materiali sta migliorando drasticamente. Se le cose procedono senza intoppi, possiamo creare un laser a base di silicio nel 2020. Ciò consentirebbe una stretta integrazione della funzionalità ottica nella piattaforma elettronica dominante, che porterebbe in prospettiva a comunicazione ottica su chip e a sensori chimici convenienti basati sulla spettroscopia”.

Nel frattempo il suo team sta anche studiando come integrare il silicio esagonale nella microelettronica cubica del silicio, che è un prerequisito importante per questo lavoro. 

Questo progetto di ricerca è stato finanziato dal progetto UE SiLAS, coordinato dal professore TU/e Jos Haverkort.

Citazioni e Approfondimenti

  • Eindhoven researchers present revolutionary light-emitting silicon, by Eindhoven University of Technology.
  • Direct Bandgap Emission from Hexagonal Ge and SiGe Alloys, E. M. T. Fadaly, A. Dijkstra, J. R. Suckert, D. Ziss, M. A. J. v. Tilburg, C. Mao, Y. Ren, V. T. v. Lange, S. Kölling, M. A. Verheijen, D. Busse, C. Rödl, J. Furthmüller, F. Bechstedt, J. Stangl, J. J. Finley, S. Botti, J. E. M. Haverkort, E. P. A. M. BakkersNature (2020) – DOI: 10.1038/s41586-020-2150-y.