Forschungszentrum Jülich Optische Datenübertragung auf Chip-Level - Stand der Technik

Optische Datenübertragung auf Chip-Ebene wandeln Storm in Licht.

Halbleiter zur optischen Datenübertragung auf Chip-Ebene müssen Strom effizient in Licht wandeln und eine zu Silizium kompatible Gitterstruktur aufweisen. Die Grundlagen stehen mittlerweile, erklären Prof. Dr. Grützmacher und Dr. Buca vom Forschungszentrum Jülich im Gespräch mit der Elektronik.

Eine erste IR-LED, die direkt auf Silizium prozessiert wird und selbst aus Elementen der 4. Hauptgruppe besteht, haben Jülicher Physiker zusammen mit internationalen Forschern kürzlich entwickelt. Sie nutzen dafür eine Halbleiterverbindung aus Silizium (Si), Germanium (Ge) und Zinn (Sn), die sich aufgrund ihrer Gitterstruktur – anders als zum Beispiel das für LEDs recht gebräuchliche GaN – besser zum direkten Aufbringen auf Silizium-Chips eignet. Damit ist eine notwendige Vorbedingung zur wirtschaftlichen Produktion von Computerchips mit integrierter optischer Schnittstelle gegeben.

Naheliegend ist diese Materialauswahl zunächst einmal nicht. Für optoelektronische Zwecke ist eine Verbindung aus den indirekten Halbleitern Silizium und Germanium sogar eher ungeeignet, denn das Merkmal von indirekten Halbleitern 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 generell 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. Um III-V-Halbleiter für eine optische Datenübertragung schon bei der Herstellung direkt in die Silizium-Chips zu integrieren, wären sehr aufwendige Prozessschritte notwendig.

Durch die Zugabe von Zinn verändert sich die Bandstruktur des indirekten Halbleiters SiGe, sodass ein direkter Halbleiter (SiGeSn) entsteht. Um mit dem Halbleitermaterial eine Leuchtdiode (LED) zu konstruieren, haben die Forscher ein Schichtsystem aus mehreren Lagen GeSn und SiGeSn prozessiert (Bild 1). Die GeSn-Schichten bildet dabei mehrere Quantentöpfe (Multi-Quantum Well, MQW), die durch die SiGeSn-Schichten voneinander abgegrenzt werden.

Die Umwandlung von elektrischer Energie in Licht findet in der MQW-Schicht statt. 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.

Im Interview geben Prof. Dr. Grützmacher und Dr. Dan Buca vom Forschungszentrum Jülich einen Überblick zur bisherigen Forschungsarbeit und einen Ausblick zu den nächsten Schritten auf dem Weg zur optischen On-Chip-Datenübertragung.