Los chips de computadora modernos pueden construir estructuras a nanoescala. Hasta ahora, estructuras tan pequeñas sólo podían formarse encima de obleas de silicio, pero ahora una nueva tecnología puede crear estructuras a nanoescala en una capa justo debajo de la superficie.Los inventores del método dicen que tiene amplias perspectivas de aplicación tanto en fotónica como en electrónica, y que algún día será posible crear estructuras 3D en obleas de silicio enteras.
La tecnología se basa en el hecho de que el silicio es transparente a determinadas longitudes de onda de luz.Esto significa que un láser adecuado puede atravesar la superficie de la oblea e interactuar con el silicio subyacente.Pero diseñar un láser que pueda atravesar una superficie sin causar daños y al mismo tiempo permitir una fabricación precisa a nanoescala debajo, no es una cuestión sencilla.
Investigadores de la Universidad Bilkent en Ankara, Turquía, lograron esto utilizando modulación de luz espacial para crear rayos láser en forma de aguja que controlan mejor dónde se distribuye la energía del rayo.Al explotar la interacción física entre los láseres y el silicio, pudieron crear cables y planos con diferentes propiedades ópticas que podrían combinarse para crear componentes nanofotónicos debajo de la superficie.
El uso de láseres para fabricar obleas de silicio no es nada nuevo. Pero Onur Tokel, profesor asistente de física en la Universidad Bilkent que dirigió la investigación, explica que hasta ahora sólo se han creado estructuras a escala micrométrica. Escalar este enfoque a la nanoescala podría desbloquear nuevas capacidades, dijo, porque puede crear características que son aproximadamente del tamaño de la longitud de onda de la luz entrante. Cuando esto sucede, estas estructuras exhiben una variedad de comportamientos ópticos novedosos que, entre otras cosas, permiten crear metamateriales y metasuperficies.
"El silicio es la piedra angular de la electrónica, la fotónica y la fotovoltaica", afirmó Tokel."Si podemos introducir una funcionalidad adicional dentro de la oblea a nanoescala que complemente estas capacidades existentes, generaremos un paradigma completamente diferente. Ahora podemos imaginarnos haciendo cosas dentro del volumen, y tal vez incluso eventualmente haciendo cosas en tres dimensiones. Creemos que esto abrirá nuevas e interesantes direcciones".
Las tecnologías anteriores no podían fabricar a nanoescala porque la luz láser se dispersa una vez que ingresa al silicio, lo que dificulta el depósito preciso de la energía. En un artículo publicado en la revista Nature Communications, el equipo de Tokel demostró que podían resolver este problema utilizando un tipo especial de láser llamado haz de Bessel, que no difracta. Esto significa que el láser puede combatir los efectos de dispersión de la luz y permanecer enfocado dentro del silicio, lo que le permite depositar energía con precisión.
Cuando un láser incide sobre una oblea, crea pequeños agujeros, llamados huecos, en el área donde se enfoca el rayo.Tokel dice que esto ha ocurrido con métodos anteriores, pero los espacios más pequeños creados al enfocar los rayos más enfocados exhiben un efecto de "mejora de campo", lo que hace que la intensidad del láser aumente a su alrededor. Esto cambia la estructura del silicio alrededor de los huecos, aumentando aún más el efecto de mejora y creando un circuito de retroalimentación autosostenible. El equipo también descubrió que podían cambiar la dirección de la mejora del campo cambiando la polarización de la luz láser.
El resultado final es la creación de estructuras bidimensionales, planas o lineales, tan pequeñas como 100 nanómetros en obleas de silicio. Estas estructuras tienen un índice de refracción diferente al del resto de la oblea, pero Tokel dijo que no está del todo claro de qué están hechas estas estructuras. Basándose en investigaciones anteriores, cree que la estructura cristalina subyacente de la oblea de silicio puede haber sido modificada. Añadió que los estudios de microscopía electrónica deberían poder aclarar esto en el futuro, pero en última instancia no es necesario conocer las propiedades subyacentes exactas de estas estructuras para crear componentes nanofotónicos útiles.
Para demostrar esto, los investigadores crearon un dispositivo fotónico a nanoescala llamado rejilla de Bragg que puede usarse como filtro óptico.Según el equipo, este es el primer elemento óptico funcional a nanoescala completamente enterrado en silicio.
Maxime Chambonneau, investigador de la Universidad de Jena en Alemania, dijo que era notable que los investigadores pudieran lograr características a nanoescala porque los pulsos láser relativamente largos utilizados por el equipo de Tokel generalmente crean grandes zonas afectadas por el calor, que conducen a cambios a microescala. (El equipo de Bilkent trabajó con pulsos medidos en nanosegundos, mientras que otros trabajos de escritura láser directa han involucrado tradicionalmente láseres de picosegundos o femtosegundos). Ser capaz de crear características más pequeñas que las ondas de luz podría abrir una variedad de posibilidades, incluida la mejora de las capacidades de recolección de energía de las células solares, dijo Chambonneau.
Debido a que la técnica de fabricación no causa ningún cambio en la superficie de la oblea, Tokel dijo que en el futuro la tecnología podría usarse para crear dispositivos multifuncionales con componentes electrónicos en la superficie y componentes fotónicos enterrados debajo. El equipo también está investigando si el método se puede utilizar para tallar canales de microfluidos debajo de la superficie de un chip. Bombear fluido a través de estos canales mejora la disipación de calor, lo que ayuda a enfriar los dispositivos electrónicos y hacerlos funcionar más rápido, dijo Torkel.
La mayor limitación de este enfoque, dice Tokel, es que los investigadores no pueden controlar con precisión dónde aparecen los agujeros en áreas específicas. Actualmente, una pequeña cantidad de huecos se distribuyen de manera desigual en el área donde se enfoca el rayo láser. Toker dijo:Si pudieran ubicar estas cavidades con mayor precisión, podrían nanofabricar en tres dimensiones, en lugar de simplemente producir líneas o planos.
"Si se pudieran controlar estas cosas individualmente y distribuirlas como una cadena, sería muy emocionante en el futuro", añadió. "Porque entonces tendrás más control, lo que permitirá elementos o sistemas más ricos".