Lichtblick für die Chip-Industrie
Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Für Photonik-Chips könnten sie direkt in die gängigen Prozesse der Silizium-basierten Halbleitertechnologie integriert werden. Bild: E. Fadaly / TU/e
Seit 50 Jahren suchen Forschende in aller Welt nach einer Möglichkeit, Laser aus Silizium oder Germanium zu bauen. Einem Team der Technischen Universität Eindhoven (TU/e) und der Technischen Universität München (TUM) ist es nun gelungen, eine Legierung aus Germanium und Silizium zu entwickeln, die Licht emittieren kann. Einen Siliziumlaser zu entwickeln, der in aktuelle Chips integriert werden kann, rückt damit erstmalig in greifbare Nähe. Elektronische Chips heizen sich auf, wenn Daten übertragen werden. Der Laptop auf den Knien wird warm; Rechenzentren benötigen Kühlaggregate mit Megawatt-Leistung. Abhilfe schaffen könnte die Photonik, denn Lichtpulse erzeugen keine Abwärme. Seit 50 Jahren bemüht sich die Forschung daher, Laser aus Silizium oder Germanium zu bauen. Bisher vergeblich. Silizium, das Arbeitspferd der Chip-Industrie, kristallisiert normalerweise in einem kubischen Kristallgitter. In dieser Form ist es für die Umwandlung von Elektronen in Licht nicht geeignet. Zusammen mit Kolleginnen und Kollegen der Technischen Universität München sowie der Universitäten in Jena und Linz ist es Forschenden der Technischen Universität Eindhoven nun gelungen, Legierungen aus Germanium und Silizium zu entwickeln, die Licht emittieren können. Entscheidend dafür war es, Germanium und Legierungen aus Germanium und Silizium mit hexagonalem Kristallgitter zu erzeugen. „Dieses Material hat eine direkte Bandlücke und kann daher selbst Licht erzeugen“, sagt Prof. Jonathan Finley, Professor für Halbleiter-Nanostrukturen und -Quantensysteme an der TU München.
Der Trick mit dem Template
Schon
2015 gelang es Prof. Erik Bakkers und seinem Team an der TU Eindhoven,
hexagonales Silizium zu erzeugen. Dafür züchteten sie zunächst
Nanodrähte aus einem anderen Material mit einer hexagonalen
Kristallstruktur und überzogen diese mit einer Schicht aus Germanium und
Silizium. Das darunter liegende Material zwang dabei auch der
Germanium-Silizium-Legierung eine hexagonale Struktur auf.
Doch
die Strukturen ließen sich zunächst nicht zum Leuchten anregen. Im
Austausch mit den Kollegen am Walter Schottky Institut der Technischen
Universität München, die während der Optimierung Generation für
Generation die optischen Eigenschaften analysierten, gelang es
schließlich das Herstellungsverfahren so zu verbessern, dass die
Nanodrähte schließlich tatsächlich Licht ausstrahlen konnten.
„Inzwischen
haben wir optische Eigenschaften erzielt, die fast mit Indiumphosphid
oder Galliumarsenid vergleichbar sind“, sagt Bakkers. Einen Laser aus
Germanium-Silizium-Legierungen zu bauen, der noch dazu in die gängigen
Herstellungsprozesse integriert werden kann, erscheint damit nur noch
eine Frage der Zeit.
„Wenn wir die elektronische Kommunikation auf
einem Chip und von Chip zu Chip optisch erledigen können, so kann das
die Geschwindigkeit um einen Faktor von bis zu 1000 erhöhen, sagt
Jonathan Finley. „Darüber hinaus könnten durch die direkte Kopplung von
Optik und Elektronik Chips für laserbasiertes Radar für selbstfahrende
Autos, für chemische Sensoren zur medizinischen Diagnose oder zur
Messung der Luft- und Lebensmittelqualität dramatisch günstiger werden.“
Mehr Informationen:
Das
Forschungsprojekt wurde unterstützt aus Mitteln des EU-Projekts SiLAS,
des Marie Sklodowska Curie-Programms der EU, der Nederlandse Organisatie
voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), der Solliance Initiative des
Energy research Centre of the Netherlands (ECN), des Holst Centers, der
TU/e, der Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk
Onderzoek (TNO), des Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC), des
Forschungszentrum Jülich und der niederländischen Provinz Nordbrabant.
Das Deutsche Elektronen Synchrotron (DESY) Hamburg stellte Messzeit am
Speicherring PETRA III zur Verfügung. Theoretische Berechnungen wurden
auf dem SuperMUC Höchstleistungsrechner des Leibniz Supercomputing
Center in Garching bei München durchgeführt.