Una speciale lega di silicio-germanio risulta promettente per le comunicazioni ottiche
Il silicio è il cardine dell’industria elettronica da oltre 50 anni. Tuttavia, il silicio, il germanio e le loro leghe, come il SiGe, condividono una struttura cristallina che li rende inefficienti a livello di emissione di luce, determinando una limitazione che ha influenzato profondamente lo sviluppo dell’industria dei semiconduttori. Di conseguenza, il settore si è evoluto in due aree distinte: da un lato l’industria elettronica si basa sul silicio, che eccelle nell’elaborazione elettronica avanzata, ma non è in grado di fornire una sorgente di luce per la comunicazione; dall’altro, l’industria delle comunicazioni dipende dai semiconduttori III-V, che sebbene eccellenti nell’emettere luce, non dispongono della capacità di gestire un’elaborazione elettronica avanzata sullo stesso chip.
Da una struttura cubica a una esagonale
Un’importante innovazione nel campo della tecnologia del silicio, introdotta dal team impegnato nel progetto Opto silicon(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, è giunta grazie allo sviluppo del SiGe esagonale (hex-SiGe, hexagonal SiGe), un nuovo materiale in grado di emettere luce in modo efficiente. A differenza del SiGe tradizionale, i cui atomi sono disposti in una struttura cubica e che incontra difficoltà in relazione all’emissione di luce, l’hex-SiGe è un semiconduttore a banda proibita diretta che si configura come ideale per le applicazioni optoelettroniche: esso introduce nuove capacità critiche nella tecnologia del silicio, come la generazione di luce per i LED e i laser, l’amplificazione della luce nei sistemi ottici e il rilevamento della luce ad alta efficienza.
Il potenziale del SiGe per i dispositivi laser e basati sulla luce
Una delle pietre miliari è stata la dimostrazione dei primi pozzi quantici hex-Ge/SiGe, ossia minuscoli strati di materiale in grado di intrappolare e controllare la luce, dotati di interfacce nitide e pulite. Il team ha osservato una chiara evidenza di confinamento dei portatori, a indicare che il materiale è in grado di controllare efficacemente il movimento di elettroni e lacune, un aspetto essenziale per creare efficienti dispositivi efficienti nell’emissione della luce. I ricercatori hanno inoltre confermato un allineamento di banda di tipo I, una proprietà che rende questi pozzi quantistici ideali per la creazione di laser e sorgenti di punti quantici a singolo fotone. «Abbiamo dimostrato che i pozzi quantici hex-SiGe possono emettere luce con un tempo di vita radiativo di un nanosecondo, a dimostrazione del fatto che il materiale è altamente efficiente nel convertire l’energia in luce», osserva Jos Haverkort, il coordinatore del progetto. «Mettendo a punto la composizione delle leghe hex-SiGe, siamo riusciti a regolare la lunghezza d’onda di emissione fino a 1,55 µm a temperature molto basse (4K), il che rappresenta un miglioramento significativo rispetto ai precedenti 1,8 µm.» Un’altra scoperta è stata l’osservazione di un aumento lineare dei modi di luce confinati all’interno di un nanofilo sospeso, il che ha fornito una chiara prova dell’emissione stimolata, fondamentale per la creazione di laser mediante l’impiego di hex-SiGe. «Abbiamo misurato un impressionante guadagno ottico di 545 cm^-1 in hex-SiGe, dimostrandone il suo forte potenziale di amplificazione della luce. Inoltre, abbiamo studiato le modalità con cui i vettori energetici perdono energia, un processo noto come raffreddamento del vettore», afferma Haverkort. «A differenza di altri materiali, hex-SiGe è privo di interazioni ottiche polari tra i fononi, che in genere rallentano il processo di raffreddamento. È notevole che il tempo di raffreddamento dei portatori nel materiale sia paragonabile a quello delle strutture laser InGaAs/InP.»
Ridurre i difetti del cristallo
Dato che hex-SiGe esiste in una fase cristallina metastabile, l’équipe ha affrontato anche le sfide legate ai difetti di impilamento I3, ossia sottili strati di SiGe cubico che si formano occasionalmente all’interno del cristallo esagonale, ampliando in modo significativo le conoscenze su questi difetti e sviluppando metodi per ridurne la densità.
Abilitare l’uso di dispositivi optoelettronici di nuova generazione
Sebbnee Opto silicon abbia compiuto importanti progressi nell’integrazione di hex-SiGe in piattaforme di silicio su isolante, c’è ancora molto lavoro da compiere per sviluppare la tecnologia in maniera completa. I ricercatori continueranno a lavorare al progetto Bright Chips, concentrandosi sull’avanzamento delle tecniche di crescita e sull’obiettivo di conseguire un’integrazione planare ottimale di hex-SiGe.
