Halbleiter
Durchbruch für Photonik-Chips?
Licht emittierende Silizium-Germanium-Legierungen
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 suchen Forschende in aller Welt daher 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 laut Forscher erstmalig in greifbare Nähe.
Entscheidend dafür war es, Germanium und Legierungen aus Germanium und Silizium mit hexagonalem Kristallgitter zu erzeugen. »Das 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, erscheine 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 könne 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. (me)
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