Microfotonica incontra la microelettronica

Operatore di camera bianca presso il Fraunhofer THM durante l'inserimento di un wafer nella camera di trasferimento di un cluster di deposizione/attacco per la strutturazione mediante deposizione atomica. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Risonatore ottico a anello con un diametro di 200 μm su substrato di SiC. © Pascal Del’Haye / MPL

Sezione trasversale di una struttura fotonica in carburo di silicio (SiC su isolante, SiCOI). © Pascal Del’Haye / MPL

Siliciocarburo (SiC) è un materiale promettente per circuiti fotonici integrati (PIC) e sistemi quantistici solidi miniaturizzati. Nel progetto ALP-4-SiC – Processamento a strati atomici per SiC per applicazioni in fotonica e comunicazioni quantistiche – ricercatori dell'Istituto Max-Planck per la Fisica della Luce (MPL) e dell'Istituto Fraunhofer per Sistemi Integrati e Tecnologia dei Componenti IISB sviluppano congiuntamente tecnologie di base per la produzione di circuiti fotonici ad alta efficienza. Attraverso esempi di guide d'onda luminose e risonatori ad anello, viene dimostrato come, grazie al processamento a strati atomici (ALP), le proprietà ottiche dei componenti fotonici in SiC possano essere significativamente migliorate. ALP-4-SiC è finanziato al 100% dal Ministero Federale della Ricerca, della Tecnologia e dello Spazio (BMFTR) nell'ambito della misura "Progetti scientifici preliminari" (WiVoPro).

Sono la stella nascente tra le tecnologie del futuro: i sistemi quantistici. Soprattutto grandi aziende high-tech e investitori istituzionali in tutto il mondo hanno avviato una vera e propria corsa per portare i fenomeni della meccanica quantistica dai laboratori di ricerca alla più ampia applicazione pratica. In particolare nell'elaborazione delle informazioni, nella sensoristica e nelle comunicazioni, si prospettano già oggi trasformazioni che cambieranno in modo sostenibile interi settori economici e società.

Dal punto di vista tecnologico, i sistemi quantistici possono essere descritti più facilmente come una combinazione di fisica quantistica, fotonica ed elettronica. L'esempio più popolare è certamente il computer quantistico. Gli attuali sistemi quantistici ricordano ancora molto le complesse configurazioni optoelettroniche di laboratorio e per la generazione, manipolazione e elaborazione degli stati quantistici si impiega un enorme sforzo tecnico. Oltre alla complessità e alle dimensioni, anche il raffreddamento necessario rappresenta un fattore limitante, poiché molte soluzioni attualmente disponibili funzionano solo a temperature vicine allo zero assoluto.

Per questo, l'integrazione delle tecnologie quantistiche in prodotti e servizi commercializzabili richiede ancora sforzi considerevoli nella ricerca e nello sviluppo di tecnologie di base essenziali. Inoltre, manca ancora una piattaforma di materiali unificata e futura per la realizzazione economica di sistemi quantistici pratici, che permetta progressi fondamentali nella miniaturizzazione, nell'aumento delle prestazioni e nella riduzione dei costi.

Robusto, compatibile, quantistico: il carburo di silicio come materiale chiave per i sistemi quantistici

Grazie alle sue proprietà fisiche particolari, il materiale semiconduttore carburo di silicio (SiC) si presenta come una promettente piattaforma tecnologica per sistemi quantistici solidi. SiC è un semiconduttore con ampia banda proibita (in inglese Wide-Bandgap, WBG) e si è affermato negli ultimi anni soprattutto nel campo dell'elettronica di potenza. È anche molto interessante per lo sviluppo di microsistemi fotonici o circuiti fotonici integrati (in inglese Photonic Integrated Circuits, PIC), poiché in questo materiale si possono realizzare sia componenti ottici che sorgenti di luce e sensori. Inoltre, SiC è interessante per effetti ottici non lineari, che consentono di modificare il colore della luce laser, ad esempio per convertire in modo molto efficiente la luce infrarossa in luce visibile. La possibilità di integrare difetti puntiformi sotto forma di cosiddetti centri di colore, funzionanti fino alla temperatura ambiente, permette prospetticamente anche l'integrazione diretta delle funzionalità quantistiche. "Con questo, il carburo di silicio rappresenta un talento poliedrico per applicazioni fotoniche, elettroniche e quantistiche", spiega il Dr. Pascal Del’Haye, che dirige la parte del progetto presso l'Istituto Max-Planck per la Fisica della Luce.

In SiC, tutti gli elementi necessari alla costruzione di sistemi quantistici miniaturizzati ad alte prestazioni possono essere rappresentati. È compatibile sia con la microelettronica che con la microfotonica e offre inoltre funzioni elettroniche quantistiche completamente nuove. Poiché SiC è compatibile con i processi CMOS ben controllabili della tecnologia classica del silicio, sarebbe eccellente per la produzione industriale di massa di PIC quantistici.

La ottimizzazione dei primi componenti microfotonici apre la strada al chip quantistico in SiC

Il percorso verso il chip quantistico optoelettronico è lungo e la ricerca in questo campo è ancora in una fase iniziale. Per la realizzazione di PIC, sono necessari innanzitutto componenti microfotonici standardizzati con perdite ottiche minime. Essenziali sono guide d'onda luminose e risonatori ad anello, che possono condurre e immagazzinare la luce in strutture molto piccole in modo efficiente. Mentre le guide d'onda svolgono la funzione di conduttori ottici senza perdite, i risonatori sono costituiti da anelli minuscoli in cui la luce immessa compie fino a un milione di giri. I tempi di conservazione dei fotoni ottenuti consentono di caricare questi componenti con alte potenze ottiche circolanti, permettendo una vasta gamma di effetti ottici non lineari. In questo modo, i microrisonatori possono trasformare la luce laser di una certa lunghezza d'onda in un treno di frequenze ottiche, cioè in una sorgente di luce composta da più frequenze discrete, utile ad esempio per una trasmissione dati molto rapida e parallela nelle reti di telecomunicazioni.

Un altro effetto utile è l'interazione tra onde luminose opposte. La non lineare accoppiamento ottico di onde opposte in risonatori ad anello porta a una rottura spontanea della simmetria, che permette la circolazione della luce solo in una direzione, cioè in senso orario o antiorario. Con questo effetto, si possono realizzare diodi ottici integrati nel chip, commutatori fotonici o sensori ottici, che consentono di costruire sistemi fotonici più complessi.

Tuttavia, la qualità dei componenti fotonici realizzati sui substrati di SiC non è ancora ottimale e l'elevata rugosità superficiale provoca perdite ottiche nelle guide e nei risonatori. Per permettere ai fotoni di muoversi rapidamente e di non tunnellare verso l'esterno, sono necessarie superfici prive di difetti. Una soluzione promettente è la levigatura delle superfici dei componenti tramite etching a strati atomici (in inglese Atomic Layer Etching, ALE), in modo da creare superfici di separazione ben definite e minimizzare le perdite e i tracciamenti.

Colmare il divario tra ricerca di base e sviluppo di processo nel progetto ALP-4-SiC

Per sviluppare un nuovo processo di produzione per componenti fotonici complessi basati su carburo di silicio, è necessario un intenso lavoro di collaborazione tra ricerca di base e ricerca applicata. Nel progetto ALP-4-SiC – Processamento a strati atomici per SiC per applicazioni in fotonica e comunicazioni quantistiche – il MPL di Erlangen e l'Istituto Fraunhofer IISB, con la sua sede presso il Centro Tecnologico Fraunhofer per i Materiali ad Alte Prestazioni THM a Freiberg, uniscono le loro competenze. Il MPL ha vasta esperienza nella progettazione e caratterizzazione di componenti fotonici, mentre l'IISB apporta competenze nel settore dei semiconduttori in SiC e nel processamento a strati atomici.

Il nuovo approccio di integrazione di processi basati su strati atomici per componenti fotonici con proprietà ottiche significativamente migliorate ha un grande potenziale per la futura commercializzazione di componenti fotonici integrati. A medio termine, i produttori di impianti di processo ALE potrebbero trovare nuovi clienti, mentre i fornitori di fotoni potrebbero posizionarsi nel mercato in rapida crescita con prodotti innovativi. Tuttavia, gli effetti a lungo termine della disponibilità di una piattaforma tecnologica universale, praticabile e scalabile per circuiti quantistici optoelettronici integrati su SiC sono ancora imprevedibili.

Istituto Max-Planck per la Fisica della Luce (MPL)

L'Istituto Max-Planck per la Fisica della Luce (MPL) copre un ampio spettro di ricerca, tra cui ottica non lineare, ottica quantistica, nanofotonica, fibre cristalline fotoniche, optomeccanica, tecnologie quantistiche, biofisica e – in collaborazione con il Centro Max-Planck per la Fisica e la Medicina – connessioni tra fisica e medicina. Fondato nel gennaio 2009, il MPL è uno dei più di 80 istituti della Società Max-Planck che conducono ricerca fondamentale nelle scienze naturali, biologiche, umanistiche e sociali a beneficio della collettività.

Centro Tecnologico Fraunhofer per i Materiali ad Alte Prestazioni THM

Il Centro Fraunhofer per i Materiali ad Alte Prestazioni THM a Freiberg, Sassonia, è una piattaforma di ricerca e trasferimento del Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB e del Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Insieme, vengono trasferiti in nuove applicazioni materiali semiconduttori ed energetici, considerando e sviluppando anche il riciclo dei materiali. I principali ambiti di lavoro del Fraunhofer THM sono l'analisi e lo sviluppo di sistemi di batterie sostenibili con un miglior bilancio ecologico e disponibilità di materie prime, nonché la ricerca e valutazione di nuovi componenti semiconduttori e dei relativi processi.

Nota di finanziamento

Il progetto ALP-4-SiC – Processamento a strati atomici per SiC per applicazioni in fotonica e comunicazioni quantistiche – è finanziato nell'ambito del programma "Progetti scientifici preliminari (WiVoPro)" del Ministero Federale della Ricerca, della Tecnologia e dello Spazio (BMFTR). I progetti finanziati dal BMFTR con questa misura indagano questioni scientifiche con uno sguardo alle future applicazioni industriali. Possono essere condotti da fino a due istituzioni di ricerca e mirano a colmare il divario tra ricerca di base e finanziamenti congiunti guidati dall'industria.