Cuando hablamos de microelectrónica, hay un elemento químico que destaca sobre el resto. Nos referimos al silicio, el elemento que ha servido de base para el desarrollo del actual modelo de sociedad de la información. Los innumerables dispositivos electrónicos que utilizamos en nuestra vida cotidiana son un reflejo de cómo hoy en día se pueden producir altos volúmenes de componentes de silicio a muy bajo coste.
Parecería natural, entonces, usar el silicio también en otras áreas donde son necesarios el uso de semiconductores. De particular interés en este contexto sería la fotónica, con el desarrollo, por ejemplo, de láseres de diodos empleados en escáneres de códigos de barras o punteros láser, que normalmente se basan en arseniuro de galio (GaAs). Desafortunadamente, los procesos físicos que crean luz en GaAs no funcionan tan bien en silicio. Por lo tanto, sigue siendo un reto excepcional y de larga data encontrar una ruta alternativa a la realización de un “láser de silicio”.
Un equipo internacional de científicos liderados por los profesores Giacomo Scalari y Jérôme Faist del Instituto de Electrónica Cuántica han presentado recientemente en “Applied Physics Letters” un paso importante hacia el desarrollo de dispositivos de este tipo.
Informan de electroluminiscencia a partir de una estructura semiconductora basada en silicio-germanio (SiGe), un material que es compatible con los procesos de fabricación estándar utilizados para dispositivos de silicio. Además, la emisión que observaron está en la banda de frecuencia de terahercios, que se encuentra entre las de la electrónica de microondas y la óptica infrarroja, y es de alto interés actual con vistas a una variedad de aplicaciones, com por el ejemplo el futuro desarrollo de las comunicaciones inalámbricas 6G.
Hacer brillar el silicio
La razón principal por la que el silicio no se puede utilizar de forma directa para construir un láser a partir de GaAs tiene que ver con la diferente naturaleza de sus huecos de banda, que es directa en esta última pero indirecta en la primera. En pocas palabras, en GaAs los electrones se recombinan con los huecos a través de la brecha de banda produciendo luz; en silicio, producen calor. Por lo tanto, la construcción de láseres con silicio requiere otro camino.
Explorar un nuevo enfoque es lo que el investigador doctoral de ETH David Stark y sus colegas están investigando. Trabajan en el desarrollo de un láser cuántico en cascada (QCL) basado en silicio. Este tipo de láser logran la emisión de luz no por recombinación de hueco-electrón a través del intervalo de banda, sino dejando que los electrones atraviesen pilas repetidas de estructuras semiconductoras diseñadas con precisión, emitiendose fotones durante el proceso.
El paradigma de estos láser QCL ha sido demostrado en una serie de materiales, por primera vez en 1994 por un equipo que incluía a Jérôme Faist, que entonces trabajaba en los Laboratorios Bell en los EE. UU., pero nunca en los basados en silicio, a pesar de las previsiones prometedoras. Convertir estas previsiones en realidad es el foco de este nuevo proyecto interdisciplinario financiado por la Comisión Europea, que reúne a un equipo de expertos líderes en el cultivo de materiales semiconductores de alta calidad (en la Università Roma Tre), caracterizarlos (en el Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik en Frankfurt an der Oder) y fabricándolos en dispositivos (en la Universidad de Glasgow). El grupo ETH de Scalari y Faist es responsable 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 en Munich y de las Universidades de Pisa y Roma.
De la electroluminiscencia al láser
Con este conocimiento y la experiencia combinada de todo el equipo que forma el proyecto, se diseñaron y construyeron dispositivos con una estructura de SiGe y germanio puro (Ge), de menos 100 nm de altura, que se repiten unas 51 veces. A partir de estas heteroestructuras, Stark y sus compañeros detectaron electroluminiscencia, con las características espectrales de la luz de acuerdo con los cálculos realizados.
Una mayor confianza en que los dispositivos funcionan según lo previsto vino de una comparación con una estructura basada en GaAs que se fabricó con idéntica geometría de dispositivo. Mientras que la emisión de la estructura Ge/SiGe sigue siendo significativamente menor que su contraparte basada en GaAs, estos resultados indican claramente que el equipo está en el camino correcto. El siguiente paso será ahora ensamblar estructuras Ge/SiGe similares de acuerdo con un diseño láser que el equipo desarrolló. El objetivo final es alcanzar el funcionamiento a temperatura ambiente de un QCL a base de silicio.
Tal logro sería significativo en varios aspectos. No solo, por fin, realizaría un láser en un sustrato de silicio, lo que traería un impulso a la fotónica de silicio. La emisión de la estructura creada por el equipo se encuentra en la región del terahercio, para la que actualmente faltan fuentes de luz compactas. Las QCL basadas en silicio, con su potencial versatilidad y coste de fabricación reducido, podrían ser una bendición para el uso a gran escala de la radiación de terahercios en campos de aplicación existentes y nuevos, desde imágenes médicas hasta comunicación inalámbrica y el desarrollo del 6G.
