Científicos del Forschungszentrum Jülich, FZJ, la Universidad de Stuttgart y el Instituto Leibniz de Microelectrónica de Alto Rendimiento (IHP), junto con su socio francés CEA-Leti, han desarrollado el primer láser semiconductor de onda continua bombeado eléctricamente que contiene exclusivamente elementos. El cuarto grupo de la tabla periódica: el “grupo del silicio”. Fabricado a partir de capas ultrafinas apiladas de silicio, germanio y estaño, el nuevo láser es el primero de su tipo cultivado directamente sobre una oblea de silicio, lo que abre nuevas posibilidades para la fotónica integrada en un chip. Estos resultados han sido publicados en la revista científica. Comunicaciones de la naturaleza.
El rápido desarrollo de la inteligencia artificial (IA) y el Internet de las cosas (IoT) está impulsando la demanda de hardware cada vez más potente y energéticamente eficiente. La transmisión óptica de datos, con su capacidad de transmitir grandes cantidades de datos minimizando la pérdida de energía, ya es el método preferido para distancias superiores a un metro y está resultando beneficiosa también para distancias más cortas. Este desarrollo apunta a futuros microchips con circuitos integrados fotónicos (PIC) de bajo costo, que ofrecen importantes ahorros de costos y un mejor rendimiento.
En los últimos años se han logrado avances significativos en la integración monolítica de componentes ópticamente activos en chips de silicio. Se desarrollan componentes clave, incluidos moduladores de alto rendimiento, fotodetectores y guías de ondas. Sin embargo, un desafío de larga data ha sido la falta de una fuente de luz eficiente bombeada eléctricamente que utilice únicamente semiconductores del Grupo IV. Hasta ahora, estas fuentes de luz se han basado tradicionalmente en materiales III-V, que son difíciles y, por tanto, caros de combinar con silicio. Este nuevo láser aborda esta brecha, haciéndolo compatible con la tecnología CMOS tradicional para la fabricación de chips y adecuado para una integración perfecta en los procesos de fabricación de silicio existentes. Por lo tanto, puede considerarse como la “última pieza que falta” en la caja de herramientas de la fotónica del silicio.
Por primera vez, los investigadores han demostrado el funcionamiento de onda continua en un láser del Grupo IV bombeado eléctricamente sobre silicio. A diferencia de los láseres de germanio-estaño anteriores que dependían del bombeo óptico de alta energía, este nuevo láser funciona a 2 voltios (V) con una inyección de corriente baja de sólo 5 miliamperios (mA), que es la salida de un diodo emisor de luz. al consumo de energía. Con su avanzada estructura de pozo multicuántico y geometría de anillo, el láser minimiza el consumo de energía y la generación de calor, lo que permite un funcionamiento estable hasta 90 Kelvin (K) o menos 183,15 grados Celsius (°C).
Crecido en obleas de silicio estándar, como las que se utilizan para los transistores de silicio, representa el primer láser del Grupo IV verdaderamente “utilizable”, aunque se requiere más trabajo para reducir el umbral del láser y lograr la temperatura ambiente. Necesita corrección. Sin embargo, el éxito de los anteriores láseres de germanio y estaño bombeados ópticamente, que han evolucionado de un funcionamiento criogénico a uno a temperatura ambiente en tan solo unos años, sugiere un camino claro a seguir.
En un láser bombeado ópticamente, se requiere una fuente de luz externa para producir luz láser, mientras que un láser bombeado eléctricamente produce luz cuando una corriente eléctrica pasa a través de un diodo. Los láseres accionados eléctricamente son generalmente más eficientes energéticamente porque convierten la electricidad directamente en luz láser.
El grupo de investigación dirigido por el Dr. Boca del PGI-9 del Forschungszentrum Jülich ha sido pionero en compuestos del Grupo IV a base de estaño, colaborando con socios como IHP, la Universidad de Stuttgart, CEA-Leti y C2N-Université Paris-Sud. y Politécnico de Milán. Ya han demostrado potencial para aplicaciones en fotónica, electrónica, termoeléctrica y espintrónica. Con este nuevo avance, la visión de la fotónica de silicio que proporciona una solución todo en uno para microchips de próxima generación está ahora a nuestro alcance.
