Avance fotónico: un nuevo silicio emisor de luz elimina el calor en el diseño de PCB

Con los centros de datos cada vez más sobrecargados, uno de los problemas más difíciles que enfrentan los ingenieros eléctricos es el calor. En los circuitos electrónicos, los datos se transmiten típicamente a través de corrientes de electrones que transitan a través de conductores. Más datos significa más electrones que viajan y más calor.
Pero, ¿qué pasaría si pudiéramos transmitir datos sin los efectos dañinos del calor en los circuitos electrónicos? Una nueva investigación de la Universidad Tecnológica de Eindhoven sugiere que el silicio puede emitir fotones para transmitir datos, todo sin los problemas del calor, el alto consumo de energía y la lenta comunicación en chip y chip a chip.

Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven operan una configuración óptica para medir la luz que se emite. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad Tecnológica de Eindhoven

Frustraciones pasadas, y posibilidad, con semiconductores emisores de luz

La fotónica, comúnmente utilizada en fibra óptica, transporta información no por electrones, sino por fotones de luz. Los investigadores supusieron anteriormente que el silicio no podía emitir luz, por lo que recurrieron a semiconductores de banda ancha que podían, como el arseniuro de galio y el fosfuro de indio.
Por ejemplo, un consorcio de investigadores europeos experimentó con circuitos de guía de ondas fotónicas cuánticas de arseniuro de galio, mientras que otros investigadores de EE de la Universidad de California en Santa Bárbara estudiaron circuitos integrados fotónicos de fosfato de indio de alta potencia. El problema fundamental aquí es que ni el arseniuro de galio ni el fosfuro de indio juegan bien con el silicio, y ambos son caros por derecho propio.
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven reconocieron que si bien el silicio sigue siendo el material elegido para fabricar la gran mayoría de los circuitos integrados en la actualidad, podría ser más útil para los diseñadores si también pudiera emitir fotones y, por lo tanto, mejorar la comunicación de datos y eliminar problemas de calor.

El avance: el silicio-germanio hexagonal finalmente emite luz

Sin embargo, esta solución de silicio emisor de luz eludió a los investigadores durante varios años. Los problemas que encontraron volvieron al hecho de que el silicio es un semiconductor indirecto de banda prohibida, lo que evita que emita luz. Luego volvieron la vista para combinar silicio con germanio en una estructura hexagonal, con la esperanza de que el resultado final fuera una banda prohibida directa que pudiera emitir y transmitir luz.
En 2015, los investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven publicaron un artículo que demuestra el uso de una carcasa hexagonal hecha de fosfuro de galio como plantilla para el silicio hexagonal. Si bien produjeron con éxito silicio en una carcasa hexagonal, la carcasa resultó incapaz de transmitir o producir luz.
Un avance rápido hasta esta semana, y muchos de los mismos investigadores, liderados por Erik Bakkers, han logrado construir una carcasa hexagonal de silicio-germanio mejorada. Los nanocables de silicio-germanio resultantes, cuando son excitados por un láser externo, podían, de hecho, transmitir luz.

Nanocables conductores de luz hechos de la carcasa de silicio-germanio. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad Tecnológica de Eindhoven

Según Bakkers, el siguiente paso es crear el láser real para excitar los nanocables, que según él es solo cuestión de tiempo.
"Ahora nos hemos dado cuenta de las propiedades ópticas, que son casi comparables con el fosfuro de indio y el arseniuro de galio, y la calidad de los materiales está mejorando", dice Bakkers. "Si las cosas funcionan sin problemas, podemos crear un láser a base de silicio en 2020". Esto permitiría una estrecha integración de la funcionalidad óptica en la plataforma electrónica dominante, lo que rompería las perspectivas abiertas para la comunicación óptica en chip y sensores químicos asequibles basados ​​en la espectroscopía ".

Esta Epitaxia de fase de vapor orgánico de metal (MOVPE) se usó para cultivar nanocables de silicio-germanio. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad Tecnológica de Eindhoven

El equipo ahora está explorando formas de incorporar nuevos nanocables en la plataforma electrónica dominante, lo que significa, por supuesto, silicio.

¿Un futuro de diseño sin calor?

Es probable que el calor siempre sea una consideración para los diseñadores, ya que nuestro colaborador de AAC, Amos Kingatua, reconoce en sus artículos sobre las principales causas de las altas temperaturas en las PCB y las técnicas de gestión térmica de PCB.
Pero, ¿te imaginas un mundo en el que el calor no sea un problema con los chips de datos de silicio? ¿Qué significaría esto para los circuitos que diseñas? ¿Qué posibilidades se abriría? Comparte tus pensamientos en los comentarios a continuación.