Resultados del proyecto de desarrollo de investigación de STMicroelectronics en láser semiconductor eficiente para chips de silicio

Ahora, los investigadores de Forschungszentrum Jülich, junto con el Centro de Nanociencias y Nanotecnologías (C2N) en París y la empresa francesa STMicroelectronics, así como CEA-LETI Grenoble, han desarrollado un láser semiconductor compatible hecho de germanio y estaño, con un eficiencia que es comparable con los láseres de semiconductores de GaAs convencionales en Si.

Producción de compuesto de germanio-estaño de alta concentración utilizado en el proceso de producción de CMOS. Imagen utilizada por cortesía de Forschungszentrum Jülich

El silicio puro no es adecuado como material láser

La transferencia óptica de datos permite velocidades y rangos de datos mucho más altos que los procesos electrónicos actuales mientras se usa menos energía. En consecuencia, los centros de datos utilizan de manera predeterminada la fibra óptica siempre que los cables superen una longitud de un metro.
En el futuro, la demanda de soluciones ópticas con distancias más cortas crecerá debido a los crecientes requisitos, por ejemplo, la transferencia de datos de chip a chip. Esto se aplica más a las áreas de tecnología emergente, como los sistemas de inteligencia artificial (IA) donde se debe transferir una gran cantidad de datos dentro de una red grande para algoritmos de entrenamiento.
"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 del Instituto Peter Grünberg de Forschungszentrum Jülich. (IGP-9). "Tal láser podría simplemente conformarse durante el proceso de fabricación de chips, ya que toda la producción de chips se basa en última instancia en esta tecnología".
Sin embargo, el silicio puro no es adecuado como material láser porque es un semiconductor indirecto. Actualmente, se utilizan diferentes materiales para fabricar láseres: semiconductores compuestos III-V. "Sin embargo, su red cristalina 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.

Un gráfico que representa el proceso de bombeo de la energía de un láser (abreviatura de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) que se alimenta al medio activo y que produce radiación láser. Imagen utilizada por cortesía de Forschungszentrum Jülich

Un láser a base de germanio y estaño

En contraste con esto, el nuevo láser se puede fabricar durante el proceso de producción de CMOS. Y, como el silicio, se basa en dos elementos del grupo cuatro. Sin embargo, un alto contenido de estaño disminuye la eficiencia del láser, por lo que requiere una potencia de bombeo relativamente alta a alrededor de 100-300 kW / cm2 con 12 a 14% de estaño. Por lo tanto, el equipo de investigación intentó reducir la concentración de estaño y compensar esto estresando adicionalmente el material, lo que mejora las propiedades ópticas.
Para el nuevo láser, los investigadores redujeron el contenido de estaño a alrededor del 5%. Esto disminuyó la potencia de bombeo a 0,8 kW / cm2, lo que produce poco calor residual, lo que permite que funcione 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 a temperatura ambiente, "explicó Grützmacher
Las aplicaciones potenciales para la gama de láser de infrarrojos y sistemas de visión nocturna a sensores de gas para monitoreo ambiental.