Un nuevo dispositivo acerca la comunicación optica en chips de silicio

   MADRID, 23 Oct. (EUROPA PRESS) -

   El enorme aumento en el rendimiento de la informática en las últimas décadas se ha logrado comprimiendo cada vez más transistores en un espacio más reducido, en forma de microchips.

   Sin embargo, esta reducción también ha significado acoplar el cableado dentro de los microprocesadores cada vez más estrechamente, lo que genera efectos como la pérdida de señal entre los componentes, lo que puede ralentizar la comunicación entre las diferentes partes del chip. Esta demora, conocida como "cuello de botella de interconexión", se está convirtiendo en un problema creciente en los sistemas informáticos de alta velocidad.

   Una forma de abordar el cuello de botella de interconexión es usar luz en lugar de cables para comunicarse entre las diferentes partes de un microchip. Sin embargo, esta no es una tarea fácil, ya que el silicio, el material utilizado para fabricar chips, no emite luz fácilmente, según Pablo Jarillo-Herrero, profesor asociado de física en el MIT (Massachusetts Institute of Technology).

   Ahora, en un artículo publicado en la revista Nature Nanotechnology, investigadores describen un emisor de luz y un detector que se pueden integrar en chips de silicio CMOS. El primer autor del artículo es el postdoc del MIT Ya-Qing Bie, al que se unen Jarillo-Herrero y un equipo interdisciplinario que incluye a Dirk Englund, profesor asociado de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en el MIT.

   El dispositivo está construido a partir de un material semiconductor llamado ditellurido de molibdeno. Este semiconductor ultradelgado pertenece a un grupo emergente de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales.

   A diferencia de los semiconductores convencionales, el material se puede apilar sobre obleas de silicio, dice Jarillo-Herrero.

    "Los investigadores han estado tratando de encontrar materiales que sean compatibles con el silicio, para llevar la optoelectrónica y la comunicación óptica en chip, pero hasta ahora esto ha resultado ser muy difícil", dice Jarillo-Herrero en un comunicado. "Por ejemplo, el arseniuro de galio es muy bueno para la óptica, pero no se puede cultivar en silicio con mucha facilidad porque los dos semiconductores son incompatibles".

   En contraste, el ditellurido de molibdeno 2-D se puede unir mecánicamente a cualquier material, dice Jarillo-Herrero.

   Otra dificultad con la integración de otros semiconductores con el silicio es que los materiales normalmente emiten luz en el rango visible, pero la luz en estas longitudes de onda simplemente es absorbida por el silicio.

   El ditellurido de molibdeno emite luz en el rango infrarrojo, que no es absorbida por el silicio, lo que significa que puede usarse para la comunicación en el chip.

   Para utilizar el material como un emisor de luz, los investigadores primero tuvieron que convertirlo en un diodo de unión P-N, un dispositivo en el que un lado, el lado P, está cargado positivamente, mientras que el otro, el lado N, tiene carga negativa.

   En los semiconductores convencionales, esto se hace típicamente introduciendo impurezas químicas en el material. Con la nueva clase de materiales 2D, sin embargo, se puede hacer simplemente aplicando un voltaje a través de electrodos de compuerta metálicos colocados uno al lado del otro en la parte superior del material.

   "Es un gran avance, porque significa que no necesitamos introducir impurezas químicas en el material (para crear el diodo). Podemos hacerlo eléctricamente", dice Jarillo-Herrero.

   Una vez que se produce el diodo, los investigadores ejecutan una corriente a través del dispositivo, causando que emita luz.

   "Así que al usar diodos hechos de ditellurido de molibdeno, podemos fabricar diodos emisores de luz (LED) compatibles con chips de silicio", dice Jarillo-Herrero.

   El dispositivo también se puede cambiar para operar como un fotodetector, invirtiendo la polaridad de la tensión aplicada al dispositivo. Esto hace que deje de conducir electricidad hasta que una luz brilla sobre él, cuando la corriente se reinicia.

   De esta forma, los dispositivos pueden transmitir y recibir señales ópticas.

   El dispositivo es una prueba de concepto, y aún queda mucho por hacer antes de que la tecnología pueda convertirse en un producto comercial, dice Jarillo-Herrero.

   Los investigadores ahora están investigando otros materiales que podrían usarse para la comunicación óptica en el chip.

   La mayoría de los sistemas de telecomunicaciones, por ejemplo, operan usando luz con una longitud de onda de 1.3 o 1.5 micrómetros, dice Jarillo-Herrero.

   Sin embargo, el ditellurido de molibdeno emite luz a 1.1 micrómetros. Esto lo hace adecuado para su uso en los chips de silicio que se encuentran en las computadoras, pero no apto para sistemas de telecomunicaciones.

   "Sería muy conveniente si pudiéramos desarrollar un material similar, que podría emitir y detectar luz a 1.3 o 1.5 micrómetros en longitud de onda, donde opera la telecomunicación a través de fibra óptica", dice.

   Con este fin, los investigadores están explorando otro material ultrafino llamado fósforo negro, que puede sintonizarse para emitir luz a diferentes longitudes de onda mediante la alteración del número de capas utilizadas. Esperan desarrollar dispositivos con la cantidad necesaria de capas para permitirles emitir luz en las dos longitudes de onda sin dejar de ser compatibles con el silicio.

   "La esperanza es que si somos capaces de comunicarnos en un chip a través de señales ópticas en lugar de señales electrónicas, podremos hacerlo más rápido y consumiendo menos energía", dice Jarillo-Herrero.