Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven operam uma instalação óptica para medir a luz emitida

Inovação fotônica: um novo silício emissor de luz elimina o calor no design de PCB

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Com os data centers cada vez mais sobrecarregados, um dos problemas mais difíceis que os engenheiros elétricos enfrentam é o calor. Nos circuitos eletrônicos, os dados são normalmente transmitidos através de fluxos de elétrons em trânsito através de condutores. Mais dados significam mais elétrons viajantes e mais calor.

Mas e se pudéssemos transmitir dados sem os efeitos prejudiciais do calor nos circuitos eletrônicos? Novas pesquisas da Universidade de Tecnologia de Eindhoven sugerem que o silício pode emitir fótons para transmitir dados – tudo sem problemas de calor, alto consumo de energia e comunicação lenta no chip e no chip.

Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven operam uma instalação óptica para medir a luz emitida

Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven operam uma instalação óptica para medir a luz emitida. Imagem usada cortesia da Universidade de Tecnologia de Eindhoven

Frustrações passadas – e possibilidade – com semicondutores emissores de luz

A fotônica, comumente usada em fibras ópticas, transporta informações não por elétrons, mas por fótons de luz. Anteriormente, os pesquisadores supunham que o silício não emitia luz; então, eles se voltaram para semicondutores de grande intervalo de banda que poderiam, como arseneto de gálio e fosfeto de índio.

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Por exemplo, um consórcio de pesquisadores europeus experimentou circuitos de guias de ondas fotônicos quânticos de arseneto de gálio, enquanto outros pesquisadores de EE da Universidade da Califórnia em Santa Barbara estudaram circuitos integrados fotônicos de fosfeto de índio de alta potência. O problema fundamental aqui é que nem o arseneto de gálio nem o fosfeto de índio jogam bem com o silício, e ambos são caros por si só.

Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven reconheceram que, embora o silício ainda seja o material de escolha para fabricar a grande maioria dos CIs hoje em dia, poderia ser mais útil para os designers se ele também emitisse fótons e, assim, melhorasse a comunicação de dados, eliminando problemas de calor.

O avanço: o silício-germânio hexagonal finalmente emite luz

Essa solução de silício emissor de luz iludiu os pesquisadores por vários anos, no entanto. Os problemas que eles encontraram voltaram ao fato de que o silício é um semicondutor indireto de bandgap, o que impede a emissão de luz. Eles então voltaram sua atenção para combinar silício com germânio em uma estrutura hexagonal, esperando que o resultado final fosse um intervalo de banda direto que pudesse emitir e transmitir luz.

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Em 2015, os pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven publicaram um artigo demonstrando o uso de uma concha hexagonal feita de fosfeto de gálio como modelo para o silício hexagonal. Enquanto eles produziram silício com sucesso em uma concha hexagonal, a concha se mostrou incapaz de transmitir ou produzir luz.

No início desta semana, muitos dos mesmos pesquisadores, liderados por Erik Bakkers, conseguiram construir uma carcaça hexagonal aprimorada de silício-germânio. Os nanofios de silício-germânio resultantes, quando excitados por um laser externo, eram, de fato, capazes de transmitir luz.

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Nanofios condutores de luz, fabricados com casca de silício-germânio

Nanofios condutores de luz, fabricados com casca de silício-germânio. Imagem usada cortesia da Universidade de Tecnologia de Eindhoven

Segundo Bakkers, o próximo passo é criar o laser real para excitar os nanofios, o que, segundo ele, é apenas uma questão de tempo.

“Até agora, percebemos propriedades ópticas, que são quase comparáveis ​​ao fosfeto de índio e arseneto de gálio, e a qualidade dos materiais está melhorando acentuadamente”, diz Bakkers. “Se as coisas funcionarem sem problemas, podemos criar um laser à base de silício em 2020. Isso permitiria uma forte integração da funcionalidade óptica na plataforma eletrônica dominante, o que abriria as perspectivas de comunicação óptica no chip e sensores químicos acessíveis com base na espectroscopia. ”

Utilizou-se epitaxia de fase de vapor orgânico de metal (MOVPE) para produzir nanofios de silício-germânio

Este Epitaxia de Fase de Vapor Orgânica Metálica (MOVPE) foi usado para produzir nanofios de silício-germânio. Imagem usada cortesia da Universidade de Tecnologia de Eindhoven

A equipe agora está explorando maneiras de incorporar novos nanofios na plataforma eletrônica dominante – com o que eles querem dizer, é claro, silício.

Um futuro para projetar sem calor?

Provavelmente, o calor sempre será uma consideração para os designers, como nosso colaborador da AAC, Amos Kingatua, reconhece em seus artigos as principais causas de altas temperaturas em PCBs e técnicas de gerenciamento térmico de PCBs.

Mas você pode imaginar um mundo em que o calor não fosse um problema com os chips de dados de silício? O que isso significa para os circuitos que você cria? Que possibilidades isso abriria? Compartilhe seus pensamentos nos comentários abaixo.

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