Piramidi nanoscopiche per comunicazioni ottiche on-chip

L'integrazione di generatori laser su chip di silicio è un campo nel quale è molto vivace l'attività di ricerca, sia in ambito accademico, sia in ambito commerciale, con lo scopo di poter consentire che le comunicazioni on-chip avvengano utilizzando la luce invece degli elettroni, per rendere le comunicazioni più veloci, mettere a disposizione maggior larghezza di banda e, in sintesi, incrementare le prestazioni dei dispositivi elettronici.

Vi è tutavia un ostacolo rappresentato da una discordanza tra il reticolo del silicio, materiale principe per la realizzazione dei semiconduttori, e i materiali del terzo e del quinto gruppo della tavola periodica (ne avevamo già accennato qui) che sono impiegati normalmente per realizzare i cosiddetti laser semiconduttori. Questo ostacolo sembra stato superato da un gruppo di ricercatori dell'University of California Berkeley, che sono stati in grado di far crescere una serie di piramidi nanoscopiche utilizzando arseniuro di gallio-indio (InGaAs) su un substrato in silicio.

Si tratta di vere e proprie nano-piramidi a base esagonale, che vengono fatte crescere direttamente sulla superficie di uno strato di silicio, con un processo alla temperatura di 400° C, che pertanto non danneggia l'eventuale circuiteria CMOS sottostante. Si tratta di un processo compatibile con le tecniche standard di litografia e deposizione di vapori (metal-organic chemical vapor deposition) in maniera tale da poter essere integrato nelle linee di produzione CMOS. Secondo le dichiarazioni dei ricercatori, l'incongruenza tra il silicio e i materiali III-V, che di norma da luogo a fratture, viene mitigata dalla piccola impronta delle nano-piramidi. Queste ultime sono inoltre caratterizzate dalla presenza di una cavità interna le cui dimensioni vengono adattate a seconda della lunghezza d'onda della luce che si vuole generare.

Impiegando tecniche standard di microproduzione i ricercatori sono stati in grado di dare dimostrazioni di due dispositivi basati su queste piramidi fatte crescere direttamente sui wafer di silicio: un fotodiodo ad effetto valanga di arseniuro di gallio e diodi ad emissione luminosa di InGaAs. Le fasi di test a temperatura ambiente hanno mostrato che i fotodiodi ad effetto valanga basati su questa tecnica sono più sensibili e richiedono meno energia per operare rispetto ai progetti già esistenti. La possibilità di creare, invece, un LED impiegando le nano-piramidi rappresenta un primo importante passo in direzione di un laser a pompaggio elettrico, a sua volta componente chiave per la realizzazione di sistemi di comunicazione ottica on-chip.

Tra i principali protagonisti nella ricerca legata all'integrazione dei campi della fotonica e del silicio vi sono IBM ed Intel; rimandiamo ai seguenti articoli per un approfondimento in merito:

-Intel e progressi nella Silicon Photonics
-IBM: un percorso di quattro anni nella silicon photonics