FOTÓNICA DEL SILICIO por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

El coste de la electrónica, una vez deducida la aportación de la investigación para lograr el desarrollo, descansa en la economía del silicio. Su abundancia en la corteza terrestre es del 28%. Y se presenta combinado como dióxido de silicio y en forma de silicatos. Ha permitido el desarrollo de la microelectrónica y soporta la tecnología de semiconductores cuyo fundamento consiste en entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Actúa como amplificador, como oscilador, como conmutador y como rectificador. Hoy forma parte de las entrañas de los dispositivos electrónicos desde la radio hasta los teléfonos inteligentes actuales, televisores, audio, video, relojería, ordenadores, dispositivos de uso médico, iluminación, incrustado los avanzados circuitos integrados.

Está descartado como generador de una química de la vida alternativa, como se ha especulado desde entornos poco informados. En cambio, los láseres de diodo son unos dispositivos de semiconductor muy similares a un led, que en unas condiciones muy concretas es capaz de emitir luz láser.

En un diodo convencional o led, cuando se polariza, se mueven los huecos de la zona denominada p hacia la zona n y los electrones lo hacen al contrario y este trasiego de carga es la corriente que circula en el diodo. Si los electrones y los huecos se encontraran en la misma parte, se recombinarían atrapando el hueco al electrón y emitiendo un fotón cuya energía es la correspondiente a la banda prohibida. Este tránsito se produce en los diodos semiconductores, pero la radiación emitida solamente es visible en algunos casos, como ocurre en los denominados leds, que se construyen de forma que la radiación no se reabsorba por los materiales del entorno y esta banda prohibida está a una distancia energética que corresponde a la luz visible. En muchos diodos la energía que liberan corresponde a las zonas infrarroja o ultravioleta del espectro. Esta competencia de los electrones por los huecos tiene una duración de nanosegundos y si en ese tiempo incide un fotón con la energía apropiada, es decir igual al emitido, estimula la emisión de otro fotón que tiene la misma frecuencia, dirección y fase que el fotón incidente, por tanto, la misma polarización. En suma, es una emisión láser en un material semiconductor. De forma similar a lo que ocurre en las cavidades ópticas de los láseres de gas o de líquido, el cristal semiconductor tiene forma de lámina delgada con un lado totalmente reflectante y otro parcialment, formando una unión pN con las caras perfectamente paralelas y reflectantes, cuyas dimensiones, al igual que otros tipos de láseres, determinan la frecuencia de la radiación que emiten. Los fotones emitidos en una dirección adecuada se reflejarán en las caras reflectantes reforzando la emisión de más fotones estimulados, amplificando la radiación emitida, mientras se mantenga la circulación de corriente por el diodo. Una parte de estos fotones salen al exterior a través de una cara parcialmente transparente. La luz coherente emitida por la emisión estimulada otorga las características de la radiación láser.

El arseniuro de Galio es un ejemplar destacable de diodo láser. Pero los procesos de este diodo láser no funcionan del todo bien en compuestos de Silicio y aquí, el láser de diodo se resiste.  La distribución de huecos no es coincidente con la que aporta el arseniuro de Galio. Mientras que en éste la emisión es del visible, en el Silicio es infrarroja. Ahora se ha logrado que un semiconductor de silicio-germanio genere electroluminiscencia en unas frecuencias de terahercios situada entre las microondas y la región infrarroja, como publican Sacalari y Faint. La estrategia adoptada consiste en el desarrollo de un láser de cascada cuántica en los que la emisión no procede de la recombinación de electrones y huecos a través de los tránsitos a la banda prohibida, sino que los electrones atraviesan repetidamente pilas de semiconductores. Nunca se ha logrado hasta ahora la cascada cuántica en materiales basados en silicio. Ahora, en un grupo multinacional que integra investigadores italianos, alemanes y británicos se pretende construir un dispositivo empleando estructuras de silicio-germanio y germanio puro, de unos 100 nanometros de altura y apilados hasta 51 veces, fabricados con precisión atómica. Se ha detectado electroluminiscencia, aunque con menor intensidad, hasta ahora, que la obtenida con la estructura de Arseniuro de Galio. Este láser trabaja en condiciones ambientales.

La fotónica del silicio está más cerca, en una región en la que hay carencia de fuentes. El reducido coste es una esperanza para la región de radiación de teraherzios, que tanto en la tecnología de imagen, como en las comunicaciones inalámbricas, tienen campos de aplicación de mucho interés, social y económicamente visto.