Forschungszentrum Jülich IR-Diode zur optischen Datenübertragung auf Chip-Level

Zusammen mit internationalen Forschern haben Jülicher Physiker eine IR-Diode entwickelt, die sich für das direkte Aufbringen auf Silizium-Chips eignet. Sie besteht nur aus Elementen, die wie Silizium der 4. Hauptgruppe angehören – der nächste Schritt zur optischen Datenübertragung auf Chip-Ebene.

Die Jülicher Forscher nutzen für die Photodiode eine Halbleiterverbindung aus Silizium (Si), Germanium (Ge) und Zinn (Sn), die sich aufgrund ihrer Gitterstruktur zur direkten Integration in Silizium-Chips eignet. Damit ist eine notwendige Bedingung zur optischen Datenübertragung auf Chip-Level gegeben, beispielsweise zwischen Computerprozessor und Speicher oder zwischen verschiedenen Prozessorkernen. Naheliegend ist diese Materialauswahl nicht. Für optoelektronische Zwecke ist eine Verbindung aus den indirekten Halbleitern Silizium und Germanium sogar denkbar ungeeignet. Merkmal der indirekten Halbleiter ist ihre indirekte Bandlücke: Die Leitungsbandkante hat ihr Energieminimum nicht bei dem k-Wellenvektor-Wert, an dem das Valenzband sein Energiemaximum aufweist. Damit ein Elektron aus dem energetisch höherliegenden Leitungsband in das Valenzband wechseln kann und dabei ein Photon mit der Energie der Bandlücke emittiert, ist hier zusätzlich ein Impulsübertrag notwendig. Zu diesen Impulsüberträgen kommt es in Halbleitern zwar, allerdings mit relativ geringen Wahrscheinlichkeiten. Daher lassen sich mit indirekten Halbleitern nur deutlich geringere Quantenausbeuten erreichen, als es mit direkten Halbleitern möglich ist. Die III-V-Halbleiter, die in LEDs genutzt werden, bringen als direkte Halbleiter zwar eine hohe Quantenausbeute mit, weisen aber eine andere Gitterstruktur als Silizium auf. Das Aufbringen von III-V-Halbleitern auf die Silizium-Chips schon beim Herstellungsprozess, stößt daher auf grundlegende Probleme. Denkbar ist eine nachträgliche Integration, das allerdings ist sehr aufwendig.

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IR-Diode zur optischen Datenübertragung auf Chip-Level

Entwicklung einer SiGeSn-Halbleiterdiode am Forschungszentrum Jülich.

Durch die Zugabe von Zinn (Sn) verändert sich die Bandstruktur des indirekten Halbleiters SiGe, sodass ein direkter Halbleiter (SiGeSn) entsteht, der sich bereits während der Chip-Produktion auf Silizium aufbringen lässt. Um mit dem Halbleitermaterial eine Diode zu konstruieren, haben die Forscher ein Schichtsystem aus mehreren Lagen GeSn und SiGeSn prozessiert. Die emittierte Wellenlänge liegt bisher zwischen 2 und 2,6 Mikrometern und lässt sich durch Variation der Konzentration an Silizium und Zinn verändern. Bereits 2015 wurde von der Forschungsgruppe ein erster Prototyp eines SiGeSn-Halbleiterlasers vorgestellt. Er musste allerdings optisch angeregt und bei -183 °C betrieben werden. Die nun entwickelte Diode wird rein elektrisch angeregt und arbeitet bei Raumtemperatur.