Quando se trata de microeletrônica, há um elemento químico como nenhum outro:silício, o carro-chefe da tecnologia de transistor que impulsiona nossa sociedade da informação. Os incontáveis ​​dispositivos eletrônicos que usamos no dia a dia são uma prova de como hoje em dia volumes muito elevados de componentes à base de silício podem ser produzidos a um custo muito baixo. Parece natural, então, usar silício também em outras áreas onde as propriedades dos semicondutores - como o silício é uma delas - são exploradas tecnologicamente, e explorar formas de integrar diferentes funcionalidades. De particular interesse neste contexto são os lasers de diodo, como aqueles empregados em leitores de código de barras ou ponteiros laser, que são normalmente baseados em arsenieto de gálio (GaAs). Infelizmente, os processos físicos que criam luz em GaAs não funcionam tão bem em silício. Portanto, continua sendo um excelente, e de longa data, objetivo encontrar uma rota alternativa para a realização de um 'laser em silício'.

Escrevendo hoje em Cartas de Física Aplicada , uma equipe internacional liderada pelos professores Giacomo Scalari e Jérôme Faist do Institute for Quantum Electronics representam um passo importante para tal dispositivo. Eles relatam eletroluminescência - geração de luz elétrica - a partir de uma estrutura semicondutora baseada em silício-germânio (SiGe), um material compatível com os processos de fabricação padrão usados ​​para dispositivos de silício. Além disso, a emissão que eles observaram está na banda de frequência terahertz, que fica entre os da eletrônica de micro-ondas e da óptica infravermelha, e é de grande interesse atual com vista a uma variedade de aplicações.

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A principal razão pela qual o silício não pode ser usado diretamente para a construção de um laser seguindo o modelo GaAs tem a ver com a natureza diferente de suas lacunas de banda, que é direto no último, mas indireto no primeiro. Em poucas palavras, em GaAs, os elétrons se recombinam com buracos ao longo do bandgap, produzindo luz; em silício, eles produzem calor. A ação do laser no silício, portanto, requer outro caminho. E explorar uma nova abordagem é o que o pesquisador de doutorado da ETH, David Stark, e seus colegas estão fazendo. Eles trabalham em direção a um laser em cascata quântica à base de silício (QCL). QCLs alcançam emissão de luz não por recombinação de buraco de elétron através do bandgap, mas, ao permitir que os elétrons entrem em um túnel através de pilhas repetidas de estruturas semicondutoras projetadas com precisão, durante o qual os fótons do processo são emitidos.

O paradigma QCL foi demonstrado em uma série de materiais - pela primeira vez em 1994 por uma equipe incluindo Jérôme Faist, então trabalhando na Bell Laboratories nos Estados Unidos - mas nunca em laboratórios baseados em silício, apesar das previsões promissoras. Transformar essas previsões em realidade é o foco de um projeto interdisciplinar financiado pela Comissão Europeia, reunindo uma equipe de especialistas líderes no cultivo de materiais semicondutores da mais alta qualidade (na Università Roma Tre), caracterizando-os (no Leibniz-Institut für inovador Mikroelektronik em Frankfurt an der Oder) e transformando-os em dispositivos (na Universidade de Glasgow). O grupo ETH de Scalari e Faist é responsável por realizar as medições nos dispositivos, mas também para o design do laser, com apoio numérico e teórico de sócios da empresa nextnano em Munique e nas Universidades de Pisa e Roma.

Da eletroluminescência ao laser

Com esse conhecimento e experiência agregados, a equipe projetou e construiu dispositivos com uma estrutura unitária feita de SiGe e germânio puro (Ge), menos de 100 nanômetros de altura, que se repete 51 vezes. A partir dessas heteroestruturas, fabricado com precisão essencialmente atômica, Stark e colegas detectaram eletroluminescência, como previsto, com as características espectrais da luz emergente concordando bem com os cálculos. A confiança adicional de que os dispositivos funcionam conforme o esperado veio de uma comparação com uma estrutura baseada em GaAs que foi fabricada com geometria de dispositivo idêntica. Considerando que a emissão da estrutura Ge / SiGe ainda é significativamente menor do que para sua contraparte baseada em GaAs, esses resultados sinalizam claramente que a equipe está no caminho certo. O próximo passo será agora montar estruturas Ge / SiGe semelhantes de acordo com um projeto de laser que a equipe desenvolveu. O objetivo final é atingir a operação em temperatura ambiente de um QCL à base de silício.

Tal conquista seria significativa em vários aspectos. Não só seria, finalmente, realizar um laser em um substrato de silício, trazendo assim um impulso para a fotônica de silício. A emissão da estrutura criada por Stark et al. está na região de terahertz, para o qual atualmente faltam fontes de luz compactas. QCLs baseados em silício, com sua versatilidade potencial e custo de fabricação reduzido, poderia ser uma bênção para o uso em larga escala da radiação terahertz em campos de aplicação existentes e novos, de imagens médicas a comunicação sem fio.