Criado o primeiro laser de germânio

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/02/2010

O germânio pode ser facilmente incorporado nos chips de silício - o que não acontece com os lasers atuais - abrindo caminho para processadores que possam trocar dados usando luz em vez de eletricidade.
[Imagem: Christine Daniloff]

Comunicação por laser

Pesquisadores do MIT apresentaram o primeiro laser construído com o semicondutor germânio e que é capaz produzir luz em comprimentos de onda úteis para a transmissão óptica de dados.

Este é também o primeiro laser de germânio capaz de funcionar em temperatura ambiente.

Ao contrário dos materiais normalmente utilizados para fabricar lasers, o germânio é fácil de incorporar nos processos industriais atuais de fabricação de chips de silício.

Ou seja, o resultado é ser um passo importante rumo a computadores capazes de transmitir dados - e eventualmente até mesmo executar cálculos - usando luz em vez de eletricidade.

Demanda de dados

Conforme aumenta a capacidade computacional dos chips, eles precisam de mais conexões de maior capacidade para enviar os dados para a memória. Mas as conexões elétricas convencionais logo não serão mais capazes de atender a essa demanda.

A transmissão desses dados com lasers - dispositivos que concentram a luz em um feixe estreito e potente - é uma opção muito mais eficiente, mas exige uma forma barata de integrar os componentes ópticos e eletrônicos no interior do mesmo chip de silício.

Fabricação de chips

A fabricação dos chips é um processo extremamente delicado, no qual camadas de diferentes materiais são depositadas sobre uma pastilha (wafer) de silício para a construção dos transistores e demais componentes.

Inserir um novo material nesse processo é difícil porque ele precisa ser capaz de se ligar quimicamente com as camadas acima e abaixo dele. Além disso, sua inserção deve ser possível sob as mesmas temperaturas e nos mesmos ambientes químicos adequados para os materiais já utilizados.

Os materiais utilizados nos lasers atuais, como o arseneto de gálio, são todos materiais "complicados", de difícil integração com os materiais tradicionais.

Por isto, os lasers têm de ser construídos separadamente e depois enxertados nos chips, o que é mais caro e demorado - para não dizer totalmente inviável - do que seria construi-los diretamente no silício. Conta ainda o fato de que o arseneto de gálio é muito mais caro do que o silício.

Germânio, amigável e bem-comportado

Já a integração do germânio no processo de fabricação dos chips é algo que quase todos os grandes fabricantes de semicondutores já começaram a fazer, uma vez que a adição de germânio como elemento dopante aumenta a velocidade dos chips de silício.

"Circuitos ópticos de alta velocidade geralmente gostam do germânio," explica o pesquisador Tremont Miao. "É um bom casamento e uma boa combinação. Portanto, esta pesquisa com laser é muito, muito promissora."

Miao afirma, no entanto, que o laser de germânio precisa se tornar mais eficiente em termos energéticos para que ele seja uma fonte de luz prática para o uso em sistemas de comunicações ópticas.

O que é absolutamente entusiasmante, acrescenta ele, é que agora já se comprovou que o amigável e bem-comportado germânio pode ser utilizado nessa tarefa, algo que se acreditava impossível.

Mudando os livros-texto

Dopando o germânio, que tem quatro elétrons em sua camada mais externa, com fósforo, que tem cinco elétrons na camada mais externa, os pesquisadores criaram condições para que elétrons excitados gerassem fótons.
[Imagem: Liu et al.]

Em termos de ciência básica, os pesquisadores demonstraram que, ao contrário do que se ensina nas escolas hoje, uma classe de materiais chamados semicondutores de bandgap indireta pode produzir lasers práticos.

A bandgap de um material é a diferença de energia entre os elétrons da camada de valência e os elétrons da camada de condução. É essa quantidade de energia que define as propriedades eletrônicas e ópticas de cada material.

Arseneto de gálio, silício e germânio são exemplos de semicondutores, o tipo de material utilizado em praticamente todos os aparelhos eletrônicos modernos. Lasers feitos semicondutores convertem a energia de elétrons - partículas de carga - em fótons - partículas de luz.

Esses semicondutores vêm em duas variedades: com bandgap direta, como o arseneto de gálio, e com bandgap indireta, como o germânio e o silício.

"Havia uma opinião geral na área científica que os semicondutores de bandgap indireta jamais produziriam uma luz laser. É exatamente isso o que se ensina nas faculdades hoje," afirma Lionel Kimerling, coordenador do grupo que criou o novo laser de germânio.

Elétron que gera fóton

Em um cristal semicondutor, um elétron excitado - um elétron que recebeu uma energia extra - vai se tornar livre e entrar na chamada banda de condução, onde ele poderá mover-se livremente pelo cristal.

Mas, na verdade, um elétron na banda de condução pode estar em um de dois estados. Se ele estiver no primeiro estado, e ele sair da banda de condução, ele irá liberar sua energia extra na forma de um fóton. Se ele estiver no segundo estado, ele irá liberar sua energia de outras formas, como calor, por exemplo.

Nos materiais de bandgap direta, o primeiro estado - o estado emissor de fótons - é um estado de energia mais baixa do que o segundo estado. Nos materiais de bandgap indireta a situação se inverte.

Um elétron excitado irá naturalmente ocupar o estado de energia mais baixo que ele possa encontrar. Portanto, em materiais de bandgap direta, os elétrons excitados tendem a passar para o estado emissor de fótons, o que não acontecerá nos materiais de bandgap indireta.

Os pesquisadores resolveram esta "inconveniência" dopando o germânio, que tem quatro elétrons em sua camada mais externa, com fósforo, que tem cinco elétrons na camada mais externa. Esse elétron extra preenche o estado de mais baixa energia na banda de condução, fazendo com que um outro elétron excitado salte para o estado de mais alta energia, ou seja, no estado emissor de fótons.

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