Luce dal silicio
Le frontiere della microelettronica
di Francesco Priolo

Il silicio è tra gli elementi più comuni sulla terra, lo troviamo abbondantemente nella sabbia, nei vetri e nelle rocce. Eppure, proprio il silicio, con una rivoluzione scientifica e tecnologica iniziata con la scoperta del transistor bipolare da parte di J. Bardeen, W. Brattain e W. Shockley (premi Nobel per la fisica nel 1956), ha profondamente modificato la nostra vita di tutti i giorni con l'avvento della microelettronica di massa e di tutti i prodotti di uso quotidiano a essa connessi, come la radio, i computer, i cellulari.
a.
Shockley, Bardeen e Brattain (da sinistra a destra), premi Nobel per la fisica nel 1956 per la scoperta del transistor bipolare.
Grazie al silicio e alle sue proprietà da semiconduttore la nostra è diventata una società dell'informazione. Ma la nostra è anche una società della comunicazione globale. Enormi flussi di informazione viaggiano su internet ogni giorno permettendoci di comunicare rapidamente a grande distanza. Tutto ciò è reso possibile grazie ai segnali di luce inviati nelle fibre ottiche che, scoperte da Charles Kuen Kao (premio Nobel per la fisica nel 2009), rappresentano delle vere e proprie autostrade per i fotoni, messaggeri dell'informazione da trasportare da una parte all'altra del globo. Ma che mondo sarebbe, se segnali elettronici e fotonici potessero essere integrati insieme in uno stesso oggetto, cioè se i miliardi di transistor presenti in un chip (un circuito elettrico integrato) potessero comunicare tra loro e con l'esterno non attraverso elettroni, ma attraverso fotoni? Questa nuova rivoluzione, in cui microelettronica e fotonica possono essere integrate insieme, è chiamata microfotonica. La microfotonica è il mondo dei circuiti fotonici integrati. Il mondo in cui si vuole integrare insieme sorgenti di luce, laser e led, amplificatori ottici, guide d'onda, modulatori ottici, rivelatori, il tutto su scala micrometrica e con tecnologie compatibili con la matura e consolidata tecnologia dei circuiti elettronici, per ottenere, ad esempio, computer ottici più veloci dei computer elettronici odierni. Si tratta di una grande sfida scientifica, perché il silicio, materiale principe in elettronica, purtroppo è inadatto a emettere fotoni (vd. approfondimento).
b.
Struttura del silicio.
La comunità scientifica internazionale è recentemente impegnata nello studio di metodologie in grado di rendere il silicio un efficiente emettitore di fotoni. Grazie allo sviluppo delle nanotecnologie si è aperta la strada verso scenari assolutamente inaspettati. È possibile infatti costruire artificialmente dei quantum dots di silicio, cioè aggregati di forma sferica di dimensione nanometrica, o quantum wires di silicio, cioè fili di conduzione quantici, con lunghezza di svariati micron, ma diametro di pochi nanometri. Si tratta di strutture zero- o unidimensionali, cosiddette nanostrutture, in cui gli elettroni del semiconduttore sono confinati secondo le regole della meccanica quantistica all'interno di una buca di potenziale. Per il principio di indeterminazione di Heisenberg, questo confinamento quantico produce un'indeterminazione nell'impulso. Si apre così la possibilità di ottenere una ricombinazione radiativa dell'elettrone-lacuna (vd. approfondimento), cioè un'emissione di luce da questi minuscoli componenti di silicio. Oltre a ottenere una efficiente emissione di fotoni, in questi sistemi l'energia dei fotoni emessi può essere modificata a piacimento semplicemente riducendo (o ingrandendo) le dimensioni fisiche delle rispettive nanostrutture. Molto è stato fatto, molto è ancora da fare. Un laser al silicio eccitato elettricamente (cioè attraverso un passaggio di corrente) e funzionante a temperatura ambiente non è però ancora stato realizzato. La ricerca di frontiera verso questi obiettivi consiste nell'accoppiamento tra nanostrutture di silicio attive otticamente (come i quantum dots e i quantum wires) e le cosiddette nanocavità fotoniche realizzate attraverso altre nanostrutture chiamate cristalli fotonici. I cristalli fotonici sono l'equivalente "fotonico" dei semiconduttori. In natura si trovano già: ad esempio, le ali di alcune farfalle o la corazza di alcuni scarabei (vd. fig. c) devono la loro colorazione non ai comuni pigmenti, ma al fatto di essere costituiti da cristalli fotonici naturali.
c.
Struttura del silicio.
[as] approfondimento
Le proprietà ottiche del silicio


1
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Visualizzazione della transizione di un elettrone dalla banda di valenza alla banda di conduzione (assorbimento di fotoni) e di ricombinazione elettrone-lacuna con emissione di fotoni.


Secondo la meccanica quantistica in un atomo gli elettroni occupano dei livelli energetici discreti (quantizzati). Nel silicio (vd. fig. c), come in tutti i solidi, la presenza di molti atomi fa sì che tali livelli energetici quantizzati siano molto vicini tra loro: l'insieme di questi livelli prende il nome di banda di energia. Tra bande di energia differenti spesso sono presenti delle regioni che sono energeticamente proibite per gli elettroni: queste regioni prendono il nome di gap. In un semiconduttore in generale, e quindi anche nel silicio, l'ultima banda di energia completamente piena allo zero assoluto prende il nome di banda di valenza e la prima banda di energia vuota allo zero assoluto si chiama banda di conduzione. In condizioni diverse dallo zero assoluto alcuni elettroni possono passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione: il posto lasciato vuoto in banda di valenza prende il nome di lacuna. In un semiconduttore la corrente elettrica è portata dagli elettroni in banda di conduzione e dalle lacune in banda di valenza. Nel caso del silicio, la sua struttura a bande di energia è detta a gap indiretta, perché i suoi elettroni in banda di conduzione e le sue lacune in banda di valenza hanno un impulso differente. Quando un elettrone in banda di conduzione "torna" in un posto vuoto in banda di valenza (una lacuna) si parla di ricombinazione elettrone-lacuna. Nel processo di ricombinazione elettrone-lacuna deve essere conservata sia l'energia che l'impulso. I fotoni sono particelle di grande energia, ma piccolo impulso. Pertanto, un fotone con energia pari a quella della ricombinazione elettronelacuna non ha sufficiente impulso per rispettarne la conservazione. Il fotone, quindi, non può essere emesso dal silicio, a meno che una terza particella (il fonone, cioè il quanto delle vibrazioni reticolari) non sia anch'esso emesso (o assorbito) per conservare l'impulso (vd. fig. 1). Dato che i processi di ricombinazione che coinvolgono più particelle (sia fotoni che fononi) sono poco probabili, l'emissione di fotoni dal silicio è un processo altamente inefficiente. In una ricombinazione elettrone-lacuna l'elettrone perde energia. Se questa energia è ceduta a un fotone (e quindi genera un segnale di luce) si parla di ricombinazione radiativa. Tra gli obiettivi della microfotonica vi è quello di ottenere una efficiente ricombinazione radiativa dal silicio.

Sono "cristalli", perché formati da una struttura periodica, che si ripete, e sono "fotonici", perché agiscono sui fotoni. Così come il potenziale elettrico periodico presente nei cristalli atomici agisce sugli elettroni generando le bande di energia (come quelle presenti nel silicio), una struttura in cui viene modulato artificialmente l'indice di rifrazione (la grandezza che indica quanto un mezzo modifica la velocità della luce che lo attraversa) agirà sui fotoni, creando delle vere e proprie bande energetiche fotoniche con delle gap, cioè delle regioni di energia (e quindi di frequenza) proibite. I fotoni con una frequenza all'interno della gap non si potranno propagare nel cristallo fotonico e verranno pertanto totalmente riflessi, determinando così la percezione del colore dell'oggetto. I cristalli fotonici artificiali sono nati a partire dai lavori pionieristici di E. Yablonovitch e J. Joannopoulos negli anni '90 e si sono sviluppati grazie alla capacità di controllare la materia attraverso le nanotecnologie. Un semplice esempio di cristallo fotonico bidimensionale è rappresentato da un'alternanza di fori nanometrici, disposti in forma regolare su una sottile lamina di un materiale semiconduttore (come per esempio il silicio). All'interno del foro l'indice di rifrazione relativo del mezzo è pari a uno (quello dell'aria), mentre nel resto della lamina è quello del materiale. Si ha così una modulazione periodica dell'indice di rifrazione che agisce sulle energie permesse ai fotoni. Se ora realizziamo artificialmente un "difetto" nanometrico all'interno della struttura periodica (in fig. d l'assenza di tre fori), cioè una regione in cui la periodicità è interrotta, in questa regione (e solo in questa regione) i fotoni di frequenza "proibita" potranno esistere, ma resteranno lì confinati non potendosi propagare nelle regioni limitrofe. Questo "difetto" rappresenta una nanocavità fotonica. L'inserimento di un materiale attivo otticamente (che quindi emette fotoni) dentro la nanocavità produrrà il confinamento dei fotoni emessi ed eventualmente, in alcuni casi, un'azione simile a quella di un laser. Ci troviamo di fronte a un nanolaser (vd. fig. d). I nanolaser al silicio non sono stati ancora realizzati, ma la ricerca punta oggi a progettare e realizzare nanocavità fotoniche sempre migliori e ad accoppiarle opportunamente a sistemi otticamente attivi in grado di produrre guadagno ottico. Ci auguriamo che gli sforzi della comunità scientifica internazionale possano in un prossimo futuro portare alla realizzazione di un nanolaser al silicio a pompaggio elettrico, producendo così una rivoluzione scientifico-tecnologica con implicazioni enormi e ancora non del tutto immaginabili.

d.
Visualizzazione schematica di un nanolaser a cristallo fotonico. Nell'immagine a sinistra è ben visibile la nanocavità fotonica (l'assenza di tre fori).

 

Biografia
Francesco Priolo è professore di Fisica della Materia presso l'Università di Catania. Attualmente è presidente
della European Materials Research Society (Strasburgo).

 

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