El silicio, el segundo material más abundante en la Tierra, podría ser utilizado por científicos para desarrollar láseres de bajo costo.
Actualmente, los láseres presentan una longitud de onda corta, pero Imec está trabajando para modificar esta característica.
Investigadores del centro de investigación belga Imec han logrado una importante innovación en la integración de láseres con silicio, utilizando arseniuro de galio, un material que normalmente no se une con el silicio. Este avance tiene el potencial de reducir costos y mejorar la calidad de los chips fotónicos, especialmente en aplicaciones relacionadas con la inteligencia artificial y las telecomunicaciones.
La fotónica silícica se basa en el uso de luz para transmitir datos, superando así las limitaciones de las señales eléctricas. Sin embargo, el silicio, aunque es un material comúnmente encontrado en la arena, no tiene la capacidad de generar luz de manera eficiente, lo que significa que requieren la inclusión de láseres como fuentes luminosas. Históricamente, la incorporación de láseres en los chips ha sido complicada porque el silicio no es adecuado para su fabricación, y los materiales más eficaces para láseres, como el arseniuro de galio, no se integran naturalmente con él. Los métodos existentes implican unir estos dos materiales, un proceso que resulta costoso y poco eficiente.
Para resolver este desafío, los científicos de Imec han desarrollado una técnica que permite crecer láseres directamente sobre silicio. Este descubrimiento podría facilitar la creación de dispositivos fotónicos más asequibles y escalables, lo que transformaría de manera significativa las aplicaciones en comunicación de datos, aprendizaje automático e inteligencia artificial.
La metodología adoptada por Imec, descrita en una publicación en la revista Nature, se basa en la ingeniería de nano-crestas, que confina los defectos que podrían afectar el rendimiento del láser. El proceso comienza cubriendo un wafer de silicio con una capa de dióxido de silicio y grabando trincheras en forma de flecha. Luego, se deposita arseniuro de galio en estas trincheras, donde sólo toca el silicio en la parte inferior. Esta disposición permite que los defectos se mantengan en el fondo de la trinchera y evita que se propaguen al material del láser.
Los láseres utilizan pozos cuánticos de indio-galio-arseniuro (InGaAs) como la región de ganancia óptica y están integrados en una estructura de diodo p-i-n dopada. Funcionan a temperatura ambiente mediante inyección eléctrica continua, logrando corrientes umbral tan bajas como 5 mA y potencias de salida de hasta 1.75 mW.
Bernardette Kunert, directora científica de Imec, destacó que, en los últimos años, el centro ha sido pionero en la ingeniería de nano-crestas, una técnica que permite el crecimiento de nano-crestas de III-V con baja defectividad fuera de las trincheras. Este enfoque ha facilitado la fabricación a escala de láseres basados en GaAs en obleas de silicio estándar de 300 mm, completamente dentro de una línea de fabricación piloto de CMOS.
Los láseres de nano-cresta emiten luz en 1,020 nanómetros, una longitud de onda más corta de lo habitual en telecomunicaciones. Los investigadores de Imec están trabajando activamente para extender la longitud de onda y perfeccionar el diseño, con el objetivo de reducir defectos cerca de los contactos eléctricos. Si estos esfuerzos tienen éxito, esta técnica podría ofrecer una solución escalable y rentable para la integración de láseres en la fotónica de silicio, lo que podría allanar el camino hacia dispositivos ópticos de alto rendimiento en el futuro.
