Come mai il silicio è "diventato" capace di amplificare la luce?

Per fare un laser bisogna dimostrare che il materiale impiegato è capace di amplificare la luce, cioè offra un guadagno positivo.
>Il Silicio, tipico "materiale" per la microelettronica, è da sempre considerato un materiale inadatto per fare laser perché non ha mai mostrato un guadagno positivo.
Nel nostro lavoro abbiamo dimostrato che se si riduce a dimensioni nanometriche, il silicio diventa capace di amplificare la luce, vale a dire fa vedere del guadagno positivo.

Che il silicio amplifichi un raggio luminoso è condizione necessaria ma non sufficiente per costruire un laser impiegando come materiale base il silicio stesso.
Le altre condizioni, che devono essere ancora dimostrate, sono:

1. essere capaci di realizzare una cavità ottica dove la potenza ottica possa accumularsi;
2. essere capaci di pompare elettricamente il dispositivo.

Una cavità ottica si realizza solitamente con due specchi integrati nel materiale stesso. Questo non è terribilmente difficile! L’altra condizione, il pompaggio elettrico, sembra al giorno d’oggi molto più arduo poiché i nanocristalli di silicio che abbiamo usato sono stati formati in ossido di silicio, che è un materiale isolante attraverso il quale la corrente non passa facilmente.
Inoltre è necessaria non solo una corrente, ma una corrente ambipolare (entrambi i tipi di portatori devono muoversi).

Dieci anni di ricerche su diodi elettroluminescenti a base di silicio hanno mostrato che realizzare tutte le condizioni necessarie non è facile.
Si dovranno inventare nuovi schemi di iniezione. Altri sforzi saranno necessari per cambiare la lunghezza d’onda di emissione del dispositivo, cioè il colore della luce emessa. Si può immaginare che laser blu, verdi, rossi e infrarossi saranno realizzati cambiando le dimensioni dei nanocristalli o addizionando impurità ad hoc.

Fare una previsione sui tempi necessari per disporre di un laser al silicio da impiegare nella produzione elettronica è molto difficile. Si consideri che il primo laser a diodo è stato prodotto nel 1962 ma che la diffusione su larga scala dei laser a diodi è avvenuta solo durante gli Anni Ottanta.
D’altra parte, la storia di successo dei laser blu della Nichia (ditta giapponese) ci racconta che durante gli Anni Novanta essi sono stati capaci di produrre laser commerciali partendo da un materiale nuovo: tutto ciò in soli 6 anni!
Possiamo pensare che, se saremo fortunati, si impiegheranno 5-10 anni per arrivare al mercato con un laser al silicio. D’altra parte potrebbe anche accadere che a causa di difficoltà tecnologiche il laser al silicio non appaia mai sul mercato.

Il vantaggio principale di un laser al silicio sta nel fatto che è fatto di silicio! Tutti sanno che il silicio è il materiale che domina il mercato dei dispositivi a semiconduttore (95 % del mercato). Una volta che sia realizzato un laser al silicio si guadagnerà rispetto ai costi, all’integrazione, alla produzione.
Infatti il silicio è un materiale molto economico, diffuso in tutto il mondo (le spiagge sono fatte di silice da cui si estrae facilmente il silicio).

Un laser al silicio potrebbe essere integrato facilmente con i circuiti microelettronici fatti in silicio usando la stessa tecnologia ad un costo molto minore rispetto alle tecnologie competitive. Un millimetro quadrato di chip CMOS (al silicio) costa 0.01 dollari mentre un millimetro quadrato di chip fatto di GaAs costa 2 dollari.
Inoltre si potranno produrre dispositivi al silicio utilizzando le fonderie di silicio già esistenti; si potrà lavorare su fette di silicio del diametro di 300 mm con una risoluzione di frazioni di micrometri e con un rischio di insuccesso molto basso.
I laser a GaAs sono prodotti in fonderie differenti, su fette di soli 80 millimetri di diametro.
Inoltre, innovazioni possono essere previste in tutti i campi. Si consideri, per esempio, il problema delle interconnessioni ottiche intra e inter chip; o si pensi alle stampanti laser, ai lettori di CD-ROM, ai display dei computer, eccetera.

Uno dei grandi vantaggi che offrirebbe il laser al silicio sarebbe proprio l’integrazione monolitica di dispositivi optoelettronici in circuiti microelettronici. Oggi, per integrare funzionalità elettroniche ed opto-elettroniche nello stesso chip è necessario un approccio di tipo ibrido: l’elettronica su silicio e l’opto-elettronica su di un semiconduttore tipo il GaAs.
Questo richiede l’impiego di una doppia tecnologia (cioè due fabbriche); costringe a una produzione "bassa" perché bisogna incollare i laser uno alla volta sui circuiti elettronici attraverso operazioni principalmente manuali; pone svariati problemi di compatibilità per la compresenza di materiali diversi, e via elencando.

In futuro potrà essere usata un’unica linea di produzione poiché tutto verrà fabbricato con lo stesso materiale, mediante uno stesso processo.
I costi potranno essere abbattuti da cento a uno.
E oltre al costo saranno ridotte al minimo anche le dimensioni: tanto per cominciare invece di due chip ne basterà uno e ulteriormente miniaturizzato rispetto a quelli attuali.

Parecchio, dal punto di vista economico ed estetico-pratico. Le faccio un esempio: un computer, che oggi è formato da uno schermo e da una unità logica separati, potrà essere realizzato su un unico supporto, dello spessore simile a quello di una carta di credito, che conterrà tutte le cose che ora sono nel suo lap-top!
In realtà potremo arrivare a parlare, in conseguenza della convivenza di elettronica e optoelettronica nello stesso materiale, di un laser intelligente, che ha nel suo stesso chip l’elettronica di controllo e quella di comando.

Le nanoparticelle di silicio sono state prodotte all’Università di Catania per mezzo dell’impiantazione ionica e di trattamenti termici. In pratica alcuni atomi di silicio sono stati sparati con forza in un substrato di quarzo. Quindi, riscaldando il materiale, si sono forzati questi atomi ad agglomerarsi in palline molto piccole. Il processo ha modificato le proprietà del materiale e lo ha fatto diventare lucente nel rosso: sono le piccole dimensioni a causare l’emissione rossa. D’altra parte, il silicio normale produce luce in modo inefficiente nel vicino infrarosso e noi non la possiamo vedere.
Il nostro esperimento è consistito nel prendere un campione ricco di palline di silicio e illuminarlo con un laser blu molto potente. Allo stesso tempo una debole luce rossa è stata fatta passare attraverso il campione.
Abbiamo subito notato che la luce uscente dal campione, invece di essere attenuata come al solito, era molto più forte. In altre parole abbiamo compreso che la debole luce rossa era stata amplificata dal passaggio attraverso le palline di silicio. Questa era l’evidenza dell’amplificazione ottica: pre-requisito per un’azione laser.

La prossima cosa da farsi è prendere le palline di silicio e metterle tra due specchi per vedere se si comportano come un laser. Questo è più facile dirlo che farlo perché bisogna costruire una cavità ottica (il sistema con i due specchi) nella quale le perdite ottiche siano trascurabili, altrimenti la luce amplificata dalle palline di silicio verrà dispersa e nessuna oscillazione laser partirà.

Questo lavoro "è una pietra miliare principale nel nostro sforzo di realizzare un’optoelettronica basata sul silicio" dice Leigh Canham del Defence Research Agency in Malvern, UK, in un articolo di accompagnamento. E’ d’accordo? Se si, in cosa consiste questa pietra miliare?

Si, sono d’accordo. È una pietra miliare perché nessuno, prima di questo risultato, pensava che fosse possibile un laser al silicio.

Si. Un’optoelettronica al silicio è ora più vicina perché tutti i componenti sono già pronti. Quello che ci manca è un laser al silicio.

No.

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