Los transistores en chips de computadora funcionan eléctricamente, pero los datos pueden transmitirse más rápidamente usando luz. Por esta razón, los investigadores han estado buscando una forma de integrar los láseres directamente en chips de silicio. Los científicos de Forschungszentrum Jülich ahora se han acercado un paso máspara lograr esto. Junto con investigadores del Centro de Nanociencias y de Nanotecnologías C2N en París y la compañía francesa STMicroelectronics, así como CEA-LETI Grenoble, han desarrollado un láser semiconductor compatible hecho de germanio y estaño, cuya eficiencia es comparable conLáseres semiconductores de GaAs convencionales en Si.
La transferencia de datos ópticos permite velocidades y rangos de datos mucho más altos que los procesos electrónicos actuales y al mismo tiempo utiliza menos energía. Los centros de cómputo y datos, por lo tanto, ya tienen la fibra óptica predeterminada cuando los cables exceden una longitud de aproximadamente un metro. En el futuro, las soluciones ópticasdemandar distancias cada vez más cortas debido a los requisitos cada vez mayores, por ejemplo, transferencia de datos de placa a placa o de chip a chip.Esto se aplica particularmente a los sistemas de inteligencia artificial IA donde los grandes volúmenes de datos deben transferirse dentro de una red grande para entrenarel chip y los algoritmos
"El componente que falta más crucial es un láser barato, que es necesario para lograr altas velocidades de datos. Un láser bombeado eléctricamente compatible con la tecnología CMOS basada en silicio sería ideal", explica el profesor Detlev Grützmacher, director de Peter de Forschungszentrum JülichInstituto Grünberg PGI-9. "Tal láser podría conformarse simplemente durante el proceso de fabricación del chip, ya que toda la producción del chip se basa en última instancia en esta tecnología".
Pero hay un problema: el silicio puro es un "semiconductor indirecto" y, por lo tanto, no es adecuado como material láser. Actualmente se utilizan diferentes materiales para fabricar láseres. En general, se utilizan semiconductores compuestos III-V ". Su red cristalina, sin embargo, tiene una estructura completamente diferente a la del silicio, que es un elemento del grupo IV. Los componentes láser actualmente se fabrican externamente y deben integrarse posteriormente, lo que hace que la tecnología sea costosa ", explica Grützmacher.
En contraste, el nuevo láser se puede fabricar durante el proceso de producción de CMOS. Está basado en germanio y estaño, dos elementos del grupo IV como el silicio. En 2015, los investigadores de Jülich demostraron que la emisión de láser se puede obtener en el sistema GeSn.El factor decisivo en esto es el alto contenido de estaño: en aquel entonces, ascendía al 12%, que está muy por encima del límite de solubilidad del 1%.
"El germanio puro es, por su naturaleza, un semiconductor indirecto como el silicio. La alta concentración de estaño es lo que lo convierte en un semiconductor directo para una fuente láser", explica el Dr. Dan Buca, líder del grupo de trabajo en el Instituto Peter Grünberg de JülichIGP-9.
El proceso de crecimiento epitaxial patentado desarrollado por Jülich es utilizado por varios grupos de investigación en todo el mundo. Al aumentar aún más la concentración de estaño, ya se han creado láseres que funcionan no solo a bajas temperaturas sino también a 0 ° C.
"Sin embargo, un alto contenido de estaño disminuye la eficiencia del láser. El láser requiere una potencia de bombeo relativamente alta. Con un 12-14% de estaño, ya necesitamos 100-300 kW / cm2", explica Nils von den Driesch ".Por lo tanto, intentamos reducir la concentración de estaño y compensar esto al estresar adicionalmente el material, lo que mejora considerablemente las propiedades ópticas ".
Para el nuevo láser, los investigadores redujeron el contenido de estaño a aproximadamente un 5%, y simultáneamente disminuyeron la potencia de bombeo necesaria a 0.8 kW / cm2. Esto produce tan poco calor residual que este láser es el primer láser semiconductor del grupo IV que puedeoperar no solo en un régimen pulsado sino también en un régimen de trabajo continuo, es decir, como un "láser de onda continua".
"Estos valores demuestran que un láser de germanio-estaño es tecnológicamente factible y que su eficiencia coincide con la de los láseres semiconductores III-V convencionales cultivados en Si. Esto también se acerca mucho más a un láser de bombeo eléctrico para aplicaciones industriales que funciona en la salatemperatura ", explica el director del instituto Grützmacher. El nuevo láser está actualmente limitado a la excitación óptica y a bajas temperaturas de aproximadamente -140 ° C.
Tal láser sería interesante no solo para la transferencia óptica de datos, sino también para una variedad de otras aplicaciones, ya que casi no hay alternativas baratas para las longitudes de onda correspondientes en el rango infrarrojo de 2-4 μm. Las aplicaciones potenciales van desde infrarrojos ysistemas de visión nocturna hasta sensores de gases para monitorear el medio ambiente en investigaciones climáticas o incluso análisis de gases respiratorios para diagnóstico médico.
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Materiales proporcionado por Forschungszentrum Juelich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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