El brillante nanocable de silicio revela cómo colocar la óptica en su CPU

Imagen de una colección desordenada de cables pequeños.

El término clave en circuitos integrados es integrado. La capacidad de las instalaciones de fabricación para integrar cosas establece límites sobre qué procesos están disponibles y qué materiales se pueden usar de manera segura. Tan pronto como sugiera un material o proceso diferente, toda la cadena se rompe, y cualquiera que sugiera tal cosa debería esperar que las personas cuestionen su idoneidad para su posición actual. La “compatibilidad” es la razón por la cual no encontrará circuitos integrados alimentados por láser en su computadora portátil.

Sin embargo, la capacidad de hacer láseres utilizando materiales compatibles con circuitos integrados puede haber recibido un impulso, con un demostración de brillante (pero aún no láser) de silicio.

Mirando el lado bueno

La óptica y el láser son la columna vertebral de la transmisión de datos a alta velocidad. No utiliza cables de cobre para transportar datos a 1Tb / s. En su lugar, utilizará vidrio y algunos diodos láser finamente ajustados y muy caros. Pero los diodos láser se fabrican utilizando procesos y materiales que no son compatibles con los utilizados para hacer circuitos integrados. Entonces, si bien es posible crear, por ejemplo, una interconexión óptica entre un módulo RAM y una CPU, debe pegar de alguna manera la óptica al chip de silicio en la ubicación correcta. Los laboratorios de investigación se complacen en sacrificar a los estudiantes de doctorado en tales empresas, pero los doctorados no escalan bien, requieren mucho mantenimiento y su implementación conduce a un aspecto oscuro.

Una mejor solución sería lograr que el silicio emita luz, pero realmente no le gusta hacerlo. La razón no es tan complicada, pero requiere algunas palabras para explicar.

La luz es creada por partículas cargadas como los electrones que ceden energía para emitir un fotón. En un semiconductor, los electrones no pueden tener cualquier energía vieja, tienen que tener una energía permitida por la estructura del material. Los estados electrónicos disponibles en los semiconductores son limitados, lo que puede generar problemas. Por ejemplo, un electrón podría tener una porción de energía bastante antigua pero no ser capaz de emitirlo porque todos los estados de menor energía ya están ocupados por electrones.

La situación es aún más oscura que eso, porque los estados se definen por algo más que su energía; sus propiedades incluyen momento, momento angular y más. Por lo tanto, puede haber un estado de baja energía disponible para un electrón con energía de sobra, sin embargo, el electrón no puede ingresar a ese estado directamente porque tiene el impulso incorrecto.

Este es exactamente el problema que enfrentan los electrones en el silicio. Un electrón puede excitarse y debería emitir un fotón infrarrojo cercano para eliminar su exceso de energía. Pero, todos los estados de baja energía disponibles requieren que el electrón emita simultáneamente un fotón y cambie el momento (generalmente rebotando en un átomo de silicio). Dado que esa combinación es altamente improbable, el electrón simplemente rebota perdiendo energía e impulso por colisiones.

Los materiales donde los electrones no pueden simplemente cruzar las barreras de energía se conocen como semiconductores indirectos de banda prohibida. En estos semiconductores, se emite muy poca luz.

El silicio no es el único material como este. Los investigadores se inspiraron en el comportamiento de su pariente cercano, germanio, que tampoco está iluminado. Si se modifica la estructura cristalina (la forma en que están dispuestos los átomos de germanio) del germanio, entonces los electrones pueden emitir fotones sin tener que cambiar el momento. En otras palabras, la brecha de banda cambia de indirecta a directa en función de la estructura del material.

Mejor juntos

Para obtener brillo de silicio, los investigadores recurrieron a las aleaciones. Lo bueno de los semiconductores es que sus propiedades ópticas y electrónicas tienden a cambiar suavemente cuando los alea. Si agrega germanio al silicio, la aleación resultante comenzará a mostrar algunas de las características del germanio. Sin embargo, aunque algunas propiedades pueden ajustarse continuamente, otras no. Una banda prohibida es directa o indirecta, no una mezcla. Entonces, ¿cuánto germanio se necesita para hacer que el silicio brille?

La respuesta resulta ser alrededor del 65 por ciento.

Para llegar a este número, los investigadores cultivaron nanocables de aleaciones de silicio-germanio. Los nanocables les permitieron elegir un material de plantilla que obligó a la aleación de silicio-germanio a formar la estructura cristalina correcta para formar una banda prohibida. También permitió a los investigadores comparar diferentes estructuras cristalinas de calidad.

Los experimentos de los investigadores destacaron la calidad: los nanocables tenían que ser casi perfectos para obtener una cantidad razonable de luz. Todos los cristales tienen errores (huecos o dislocaciones), y los cristales de alta calidad tienen menos. Pero, una vez que los investigadores hayan perfeccionado la fabricación de los nanocables, los producidos emitirán una cantidad sorprendentemente grande de luz.

La cantidad de luz es baja en comparación con la tecnología de diodos láser maduros, pero sigue siendo brillante en comparación con lo que estaba disponible antes. El silicio brillante parece revelar una ruta viable para colocar todos los elementos necesarios para las comunicaciones ópticas en un chip de silicio. Esto significa que la comunicación con periféricos como memoria, discos duros y más puede ser más rápida. También significa que cosas como la sincronización del reloj en el chip es más fácil de organizar. Pero, para que todo eso suceda, el cable tenuemente brillante de los investigadores tiene que abrirse camino en la lista de materiales aceptables de la fábrica.

Naturaleza, 2020, DOI: 10.1038 / s41586-020-2150-a (Acerca de los DOI)

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