Nanolaser sul silicio, CPU velocissime grazie alla luce

I ricercatori dell'Università di Berkeley, California, hanno trovato un modo per collocare nanolaser direttamente sul silicio. Grazie a questa scoperta, raggiunta con l'aiuto della DARPA e il Dipartimento della Difesa statunitense, potremo avere in futuro microprocessori più veloci ed efficienti, ma anche sensori biochimici più potenti basati su chip optoelettronici.

"Il nostro risultato ha risvolti su molti campi scientifici, inclusi la scienza dei materiali, la tecnologia dei transistor, la scienza dei laser e l'optoelettronica", ha dichiarato Connie Chang-Hasnain, professore di ingegneria elettronica e scienze del computer all'Università di Berkeley.

Arricchire i chip di silicio d'interconnessioni ottiche consentirà di raggiungere prestazioni sempre più elevate e superare i colli di bottiglia che oggi frenano le comunicazioni all'interno di un chip o tra i differenti elementi che fanno parte di un computer.

Dato che il silicio non è adatto a generare luce, i ricercatori hanno riposto le loro attenzioni su un'altra classe di materiali conosciuta come "semiconduttori III-V" (tre-cinque) per dare vita a componenti basati sulla luce, come i diodi e i laser.

Nanolaser sulla superificie di silicio - Foto: Connie Chang-Hasnain Group

Inizialmente i ricercatori hanno verificato che non era possibile unire i semiconduttori III-V con il silicio, in modo da creare un unico chip optoelettronico, perché la struttura atomica dei due materiali non era corrispondente. "Arricchire il silicio con pellicole di semiconduttori III-V è come forzare due pezzi incongruenti di un puzzle a combaciare l'uno con l'altro", ha dichiarato il ricercatore Roger Chen. "Si può fare, ma il materiale si danneggia".

"Inoltre, l'industria è fondata sulla produzione di materiali basati sul silicio, quindi per ragioni pratiche, l'obiettivo è stato quello d'integrare la fabbricazione di materiali III-V sull'infrastruttura esistente", hanno dichiarato i ricercatori.

"È molto difficile abbandonare la produzione elettronica basata sul silicio, sia per ragioni economiche che tecnologiche. La compatibilità con la produzione del silicio è critica", ha dichiarato Chang-Hasnain. "Il problema è che arricchire il silicio con i semiconduttori III-V richiede tradizionalmente temperature di 700 o più gradi Celsius, che distruggerebbero l'elettronica. Altri approcci d'integrazione non sarebbero risultati scalabili".

I ricercatori hanno oltrepassato questi problemi trovando un modo per collocare nanopillar (o nanopilastri) di arseniuro d'indio-gallio su una superficie di silicio alla temperatura, relativamente bassa, di 400 gradi Celsius. "Lavorare in nanoscala ci ha consentito d'inserire materiali III-V di alta qualità a bassa temperatura in modo che il silicio - usato per la parte elettronica - mantenesse la propria funzionalità", ha dichiarato Chen.

L'immagine di sinistra e quella in alto a destra mostrano l'intensità di campo elettrico simulato che descrive come circola la luce in modo elicoidale all'interno dei nanopillar. In basso a destra un'immagine sperimentale di una luce laser derivante da un singolo nanolaser (Foto: Connie Chang-Hasnain Group)

I ricercatori hanno usato un processo conosciuto come "metal-organic chemical vapor deposition" (MOCVD) per riporre i nanopillar sul silicio. Questa tecnica può essere usata nella produzione in volumi, perché questo sistema è già usato commercialmente per realizzare pellicole sottili di celle solari e LED.

Il nanopillar genera una luce vicina all'infrarosso - una lunghezza d'onda di circa 950 nanometri - a temperatura ambiente. La geometria esagonale dettata dalla struttura cristallina dei nanopillar dà origine a una cavità ottica che intrappola la luce. La luce circola su e giù per la struttura in modo elicoidale e si amplifica attraverso questo meccanismo di feedback ottico.

"Questa è la prima integrazione completa di nanolaser III-V su una superficie di silicio usando un processo di arricchimento compatibile con la tecnologia CMOS usata nei circuiti integrati. Questa ricerca ha il potenziale per spingere una rivoluzione optoelettronica nel settore del computing, delle comunicazioni, degli schermi e del processo ottico dei segnali. In futuro, contiamo di migliorare le caratteristiche di questi laser e controllarli elettronicamente per un'unione ancora più salda tra dispositivi elettronici e fotonici", ha dichiarato il professore Chang-Hasnain.