El equipo de investigación supera los desafíos materiales, ofreciendo una nueva vía para los LED de alta eficiencia

El silicio ha dominado durante mucho tiempo la carrera de los materiales semiconductores, pero sus "defectos inherentes" en el campo optoelectrónico también han limitado su potencial de crecimiento. Recientemente, los investigadores desarrollaron un nuevo material semiconductor compuesto por germanio y estaño, que presenta una mayor eficiencia de absorción y emisión de luz en comparación con los semiconductores de silicio y podría convertirse en la próxima generación de semiconductores de alto rendimiento.

El silicio es la piedra angular de la Industria electrónica moderna; los chips de la mayoría de los productos electrónicos, como ordenadores y teléfonos móviles, están hechos principalmente de silicio y siguen siendo difíciles de sustituir por otros materiales.

Aunque el silicio cuenta con ventajas como la madurez tecnológica y los bajos costes, su característica de "banda prohibida indirecta" resulta en una eficacia luminosa muy inferior a la de los materiales de banda prohibida directa (como el arseniuro de galio GaAs). Por lo tanto, no puede servir directamente como dispositivo eficiente de fuente de luz láser o LED y tiene dificultades para hacer contribuciones significativas en el campo de la optoelectrónica.

Para lograr la comunicación óptica en chips (más rápida y con ahorro de energía que la transmisión electrónica), los ingenieros generalmente necesitan integrar heterogéneamente materiales costosos del grupo III-V (como el arseniuro de galio), un proceso complejo y costoso. Por lo tanto, los científicos han estado dedicados durante mucho tiempo a desarrollar alternativas utilizando materiales del grupo IV, entre los cuales las aleaciones de germanio-estaño (GeSn) se consideran el "santo grial" del campo de los semiconductores.

A diferencia de los materiales del grupo III-V, el germanio y el estaño pertenecen ambos al grupo de elementos del IV. La incorporación de una proporción específica de estaño en la red cristalina del germanio puede modificar su estructura de bandas, transformándolo en un material de "banda prohibida directa", lo que le confiere una mayor movilidad de portadores; además, los elementos del grupo IV son altamente compatibles con los procesos existentes de circuitos integrados de silicio, por lo que han captado gran atención en aplicaciones optoelectrónicas.

Históricamente, el principal desafío de las aleaciones de germanio y estaño fue que estos dos elementos son difíciles de reaccionar químicamente en condiciones convencionales. Solo recientemente, un equipo de la Universidad de Edimburgo logró preparar con éxito una aleación estable de germanio y estaño calentando una mezcla de germanio y estaño hasta 1200 °C y aplicando presiones de hasta 10 GPa, lo que permitió que permaneciera estable a temperatura y presión ambientales.

Ya sea para dispositivos electrónicos de nueva generación o centros de datos con demandas de energía en continuo crecimiento, el futuro depende de la transmisión óptica para mejorar la eficiencia energética; se espera que los nuevos materiales permitan un funcionamiento más rápido de los dispositivos y un menor consumo energético.

Artículos relacionados fueron publicados en el Journal of the American Chemical Society (Sociedad Química de Estados Unidos, ACS).

Fuente: TechNews