El gran aumento en el rendimiento informático en las últimas décadas se ha logrado al comprimir cada vez más transistores en un espacio más reducido en microchips.
Sin embargo, esta reducción también ha significado empacar el cableado dentro de los microprocesadores cada vez más juntos, lo que lleva a efectos como la fuga de señal entre los componentes, lo que puede ralentizar la comunicación entre las diferentes partes del chip. Este retraso, conocido como el "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 construir chips, no emite luz fácilmente, de acuerdo cona Pablo Jarillo-Herrero, profesor asociado de física en el MIT.
Ahora, en un artículo publicado en la revista Nanotecnología de la naturaleza , los investigadores describen un emisor y detector de luz que puede integrarse en chips CMOS de silicio. El primer autor del artículo es el postdoctorado MIT Ya-Qing Bie, al que se unen Jarillo-Herrero y un equipo interdisciplinario que incluye a Dirk Englund, profesor asociado deIngeniería eléctrica e informática en el MIT.
El dispositivo está construido a partir de un material semiconductor llamado ditellururo de molibdeno. Este semiconductor ultrafino pertenece a un grupo emergente de materiales conocidos como dichoslcogenuros de metales de transición bidimensionales.
A diferencia de los semiconductores convencionales, el material puede apilarse encima de obleas de silicio, dice Jarillo-Herrero.
"Los investigadores han estado tratando de encontrar materiales que sean compatibles con el silicio, con el fin de incorporar optoelectrónica y comunicación óptica en el chip, pero hasta ahora esto ha resultado muy difícil", dice Jarillo-Herrero. "Por ejemplo, el arseniuro de galio esmuy bueno para la óptica, pero no se puede cultivar en silicio muy fácilmente porque los dos semiconductores son incompatibles "
En contraste, el ditellururo de molibdeno 2-D puede unirse mecánicamente a cualquier material, dice Jarillo-Herrero.
Otra dificultad para integrar otros semiconductores con silicio es que los materiales normalmente emiten luz en el rango visible, pero la luz en estas longitudes de onda es simplemente absorbida por el silicio.
El ditellururo de molibdeno emite luz en el rango infrarrojo, que no es absorbido por el silicio, lo que significa que puede usarse para la comunicación en el chip.
Para usar el material como un emisor de luz, los investigadores primero tuvieron que convertirlo en un diodo de unión PN, un dispositivo en el que un lado, el lado P, tiene carga positiva, mientras que el otro, el lado N, tiene carga negativa.
En los semiconductores convencionales, esto generalmente se hace mediante la introducción de impurezas químicas en el material. Sin embargo, con la nueva clase de materiales 2-D, se puede hacer simplemente aplicando un voltaje a través de los electrodos metálicos colocados uno al lado del otroparte superior del material.
"Eso es un avance significativo, 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, haciendo que emita luz.
"Entonces, al usar diodos hechos de ditellururo de molibdeno, podemos fabricar diodos emisores de luz LED compatibles con chips de silicio", dice Jarillo-Herrero.
El dispositivo también puede cambiarse para funcionar como un fotodetector, invirtiendo la polaridad del voltaje aplicado al dispositivo. Esto hace que deje de conducir electricidad hasta que una luz brilla sobre él, cuando se reinicia la corriente.
De esta forma, los dispositivos pueden transmitir y recibir señales ópticas.
El dispositivo es una prueba de concepto, y aún queda mucho trabajo 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 chip.
La mayoría de los sistemas de telecomunicaciones, por ejemplo, funcionan con luz con una longitud de onda de 1.3 o 1.5 micrómetros, dice Jarillo-Herrero.
Sin embargo, el ditellururo 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 es adecuado para los sistemas de telecomunicaciones.
"Sería altamente deseable si pudiéramos desarrollar un material similar, que podría emitir y detectar luz a 1.3 o 1.5 micrómetros de longitud de onda, donde opera la telecomunicación a través de fibra óptica", dice.
Para este fin, los investigadores están explorando otro material ultradelgado llamado fósforo negro, que puede sintonizarse para emitir luz a diferentes longitudes de onda alterando la cantidad de capas utilizadas. Esperan desarrollar dispositivos con la cantidad necesaria de capas para permitirlesemiten luz en las dos longitudes de onda sin dejar de ser compatibles con el silicio.
"La esperanza es que si podemos comunicarnos en el chip a través de señales ópticas en lugar de señales electrónicas, podremos hacerlo más rápidamente y consumiendo menos energía", dice Jarillo-Herrero.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Helen Knight. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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