Il MIT realizza il primo laser al germanio

Un gruppo di ricercatori del MIT ha dato dimostrazione del primo laser costruito con l'impiego di germanio, e che è in grado di produrre radiazioni luminose con lunghezze d'onda utili per le comunicazioni ottiche. Si tratta, inoltre, del primo laser al germanio capace di operare a temperatura ambiente.

A differenza dei materiali ordinariamente utilizzati nei laser, il germanio risulta di facile implementazione nei processi esistenti per la produzione di chip di silicio. Il risultato ottenuto è la dimostrazione di un importante passo avanti in direzione dei computer in grado di utilizzare la luce -e non la corrente elettrica- per spostare o elaborare dati. L'elemento più importante è tuttavia rappresentato dalla dimostrazione che, al contrario di quanto si ritenesse in precedenza, una classe di materiali chiamati semiconduttori a bandgap indiretta possono essere impiegati per la realizzazione di laser.

Con l'incremento della capacità computazionale dei chip si rendono necessarie larghezze di banda superiori per l'invio dati alla memoria. Le connessioni elettriche convenzionali sono però destinate a diventare poco convenienti dal punto di vista pratico, perché richiedono troppa potenza (e di conseguenza comportano un elevato consumo energetico) per traspostare dati a velocità così elevate. Una strada più efficiente, dal punto di vista energetico, è la trasmissione dei dati mediante laser (che possiamo semplificare descrivendolo come un fascio di luce coerente) la quale tuttavia comporta la necessità di integrare componenti ottici ed elettronici su un chip di silicio in maniera opportunamente economica.

L'assemblaggio di un chip è un processo particolarmente accurato dove strati di differenti materiali sono depositati su un wafer di silicio e percorsi e sagome sono incisi su di essi. L'aggiunta di un nuovo materiale in questo processo è piuttosto difficile: il materiale deve essere chimicamente legato agli altri strati sopra- e sottostanti, e deve essere possibile depositare tale materiale a temperature e condizioni chimiche che siano idonee agli altri materiali coinvolti.

Possiamo dividere i materiali più o meno in tre grandi categorie: isolanti, conduttori e semiconduttori. La discriminante tra i tre stati è rappresentata dalla capacità/possibilità degli elettroni di muoversi più o meno liberamente nel materiale. Nel caso dei materiali inorganici, ossia quelli che non contengono carbonio, la struttura dei materiale è spesso cristallina: gli elettroni si trovano quindi legati agli atomi che formano il cristallo e la differenza tra isolanti, conduttori e semiconduttori è data dalla quantità di energia che gli elettroni devono assorbire per entrare nella cosiddetta "banda di conduzione" ossia uno stato energetico eccitato che permette agli elettroni di slegarsi dai singoli atomi e muoversi più liberamente nell'intero cristallo. Nei conduttori questa energia è molto bassa e praticamente non vede salti di discontinuità con la banda di valenza, quella rappresentata dagli elettroni non eccitati. Negli isolanti il gap tra le due bande è talmente elevato che in pratica non è possibile eccitare elettroni nella banda di conduzione. Nei semiconduttori troviamo una situazione intermedia, per cui con l'assorbimento di una quantità sufficiente di energia è possibile eccitare un elettrone nella banda di conduzione.

I materiali utilizzati nei laser odierni, come l'arseniuro di gallio, sono difficili da integrare nei processi convenzionali di produzione dei chip. I laser devono pertanto essere costruiti separatamente e solo in un secondo momento "innestati" sul chip. Questo medoto è più costoso, in termini di tempo e risorse, rispetto alla costruzione del laser direttamente sul silicio. L'arseniuro di gallio, inoltre, è un materiale particolarmente costoso.

L'integrazione del germanio nel processo di produzione è una strada che quasi tutti i principali produttori di chip hanno già iniziato a percorrere, dal momento che l'aggiunta del germanio permette di incrementare la velocità dei chip di silicio. L' arseniuro di gallio, il silicio e il germanio sono tutti esempi di semiconduttori, quella particolare categoria di materiali impiegati praticamente in tutta l'elettronica moderna. I laser costruiti impiegando i semiconduttori convertono l'energia degli elettroni in fotoni.

I semiconduttori possono essere divisi in due categorie, a seconda delle proprietà: semiconduttori a bandgap diretto e indiretto. Nei primi il livello minimo della banda di conduzione e il massimo di quella di valenza coincidono e l'emissione di un fotone può avvenire, appunto, in modo diretto. Nel caso in cui massimo e minimo non coincidono è necessario che nel processo intervenga un fonone, o quanto di energia vibrazionale, in grado di modificare il vettore d'onda. Spesso nei semiconduttori a gap indiretto il ritorno dell'elettrone allo stato non eccitato è poco efficiente, disperdendo la maggior parte dell'energia in vibrazioni (quindi in calore) e avendo quindi un'emissione luminosa poco intensa ed energetica. L'energia può poi essere rilasciata dall'elettrone, nel nostro caso sotto forma di fotoni, ossia di luce, al suo ritorno allo stato non eccitato. Se questa emissione avviene in modo "coerente" si parla di laser.

Jurgen Michel, principale ricercatore associato nell'Electronic Materials Research Group e principale motore del progetto germanium-laser, commenta: "Vi era una diffusa opinione nell'ambiente scientifico secondo la quale i semiconduttori a bandgap indiretta non sarebbero mai stati utilizzati per la creazione di laser".

Il gruppo di ricercatori del MIT descriverà in una prossima pubblicazione su Optics Letters, come è stato possibile condurre elettroni eccitati di germanio in uno stato di emissione di fotoni ad elevata energia.

La prima strategia è una tecnica, comune nella produzione dei chip, chiamata "drogaggio" e nella quale gli atomi di un altro elemento sono aggiunti ad un cristallo semiconduttore. Il gruppo ha drogato il germanio con fosforo, che ha 5 elettroni nella banda esterna. Il germanio ha solamente quattro elettroni esterni, quindi il fosforo "regala" un ulteriore elettrone. L'elettrone in più va a riempire lo stato di minor nergia nella banda di conduzione, costringendo gli elettroni eccitati di spostarsi verso stati a maggiore energia.

Secondo il lavoro teorico del gruppo, il drogaggio con fosforo "opera al meglio con 10^20 atomi per centimetro cubo" di germanio. Il gruppo ha sviluppato una tecnica che può aggiungere 10^19 atomi di fosforo per ciascun centimetro cubo di germanio e che "già permette di produrre luce laser".

La seconda strategia è stata abbassare la differenza di energia tra i due stati della banda di conduzione, in maniera tale che gli elettroni eccitati fossero più inclini a passare verso lo stato di emissione dei fotoni. I ricercatori hanno fatto questo adattando un'altra tecnica comune nell'industria dei chip: hanno "stirato" il germanio, cioè allargato i suoi atomi leggermente più di quanto non siano in natura, facendolo crescere direttamente sulla sommità di uno strato di silicio. Sia il silicio, sia il germanio, sono stati depositati ad elevate temperature.

Al momento del raffreddamento il silicio si contrae in misura minore rispetto a quanto non faccia il germanio. Gli atomi del germanio raffreddato tentano però di mantenenre l'allineamento con gli atomi di silicio, e per questo si strutturano più larghi rispetto di quanto siano ordinariamente. Cambiando l'angolo e la lunghezza dei legami tra germanio, cambia inoltre l'energia richiesta per spostare i suoi elettroni nella banda di conduzione. "La capacità di far crescere il germanio sul silicio e la capacità di controllare la stiratura di queste pellicole di germanio sul silicio sono una scoperta di questo gruppo" ha dichiarato Lionel Kimerling, a capo del gruppo di ricerca.

"Il germanio piace ai circuiti ottici ad elevata velocità, è un buon connubio e una buona combinazione. La ricerca laser è molto promettente" dichiara Tremont Miao, direttore marketing di Analog Devices Semiconductor. Per una effettiva applicazione pratica, tuttavia, i laser di germanio dovranno diventare più efficienti dal punto di vista energetico prima di essere considerati come una pratica fonte di luce per sistemi di comunicazione ottica. "Ma di contro la promessa ed il fatto che abbiamo usato il germanio per generare luce laser è molto entusiasmante".