O enorme aumento no desempenho da computação nas últimas décadas foi alcançado comprimindo cada vez mais transistores em um espaço mais apertado nos microchips.

Contudo, esse downsizing também significou acondicionar a fiação dentro dos microprocessadores cada vez mais juntas, levando a efeitos como vazamento de sinal entre componentes, o que pode retardar a comunicação entre as diferentes partes do chip. Este atraso, conhecido como "gargalo de interconexão, "está se tornando um problema crescente em sistemas de computação de alta velocidade.

Uma maneira de lidar com o gargalo da interconexão é usar luz em vez de fios para se comunicar entre as diferentes partes de um microchip. Esta não é uma tarefa fácil, Contudo, como silício, o material usado para construir chips, não emite luz facilmente, de acordo com Pablo Jarillo-Herrero, professor associado de física do MIT.

Agora, em um artigo publicado hoje na revista Nature Nanotechnology , pesquisadores descrevem um emissor de luz e detector que pode ser integrado em chips CMOS de silício. O primeiro autor do artigo é o pós-doutorado do MIT Ya-Qing Bie, que se juntou a Jarillo-Herrero e uma equipe interdisciplinar, incluindo Dirk Englund, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT.

O dispositivo é feito de um material semicondutor chamado ditelureto de molibdênio. Este semicondutor ultrafino pertence a um grupo emergente de materiais conhecido como dichalcogenetos de metais de transição bidimensionais.

Ao contrário dos semicondutores convencionais, o material pode ser empilhado em cima de bolachas de silício, Jarillo-Herrero diz.

“Os pesquisadores estão tentando encontrar materiais compatíveis com o silício, a fim de trazer optoeletrônica e comunicação óptica no chip, mas até agora isso tem se mostrado muito difícil, "Jarillo-Herrero diz." Por exemplo, arsenieto de gálio é muito bom para a óptica, mas não pode ser cultivado em silício com muita facilidade porque os dois semicondutores são incompatíveis. "

Em contraste, o ditelureto de molibdênio 2-D pode ser mecanicamente ligado a qualquer material, Jarillo-Herrero diz.

Outra dificuldade com a integração de outros semicondutores com silício é que os materiais normalmente emitem luz na faixa do visível, mas a luz nesses comprimentos de onda é simplesmente absorvida pelo silício.

O ditelureto de molibdênio emite luz na faixa do infravermelho, que não é absorvido pelo silício, o que significa que pode ser usado para comunicação no chip.

Para usar o material como emissor de luz, os pesquisadores primeiro tiveram que convertê-lo em um diodo de junção P-N, um dispositivo em que um lado, o lado P, tem carga positiva, enquanto o outro, Lado N, tem carga negativa.

Em semicondutores convencionais, isso normalmente é feito através da introdução de impurezas químicas no material. Com a nova classe de materiais 2-D, Contudo, isso pode ser feito simplesmente aplicando uma tensão nos eletrodos de porta metálica colocados lado a lado no topo do material.

"Esse é um avanço significativo, porque significa que não precisamos introduzir impurezas químicas no material [para criar o diodo]. Podemos fazer isso eletricamente, "Jarillo-Herrero diz.

Uma vez que o diodo é produzido, os pesquisadores passam uma corrente pelo dispositivo, fazendo com que emita luz.

"Então, usando diodos feitos de ditelureto de molibdênio, somos capazes de fabricar diodos emissores de luz (LEDs) compatíveis com chips de silício, "Jarillo-Herrero diz.

O dispositivo também pode ser alternado para operar como um fotodetector, invertendo a polaridade da tensão aplicada ao dispositivo. Isso faz com que ele pare de conduzir eletricidade até que uma luz brilhe sobre ele, quando o atual for reiniciado.

Desta maneira, os dispositivos são capazes de transmitir e receber sinais ópticos.

O dispositivo é uma prova de conceito, e muito trabalho ainda precisa ser feito antes que a tecnologia possa ser desenvolvida em um produto comercial, Jarillo-Herrero diz.

Os pesquisadores agora estão investigando outros materiais que poderiam ser usados ​​para comunicação óptica no chip.

A maioria dos sistemas de telecomunicações, por exemplo, operar usando luz com comprimento de onda de 1,3 ou 1,5 micrômetros, Jarillo-Herrero diz.

Contudo, o ditelureto de molibdênio emite luz a 1,1 micrômetros. Isso o torna adequado para uso em chips de silício encontrados em computadores, mas inadequado para sistemas de telecomunicações.

"Seria altamente desejável se pudéssemos desenvolver um material semelhante, que poderia emitir e detectar luz em 1,3 ou 1,5 micrômetros de comprimento de onda, onde opera a telecomunicação por meio de fibra óptica, " ele diz.

Para este fim, os pesquisadores estão explorando outro material ultrafino chamado fósforo preto, que pode ser ajustado para emitir luz em diferentes comprimentos de onda, alterando o número de camadas usadas. Eles esperam desenvolver dispositivos com o número necessário de camadas para permitir que eles emitam luz nos dois comprimentos de onda enquanto permanecem compatíveis com o silício.

"A esperança é que, se formos capazes de nos comunicar no chip por meio de sinais ópticos em vez de sinais eletrônicos, poderemos fazer isso mais rapidamente, e enquanto consome menos energia, "Jarillo-Herrero diz.