Forschungszentrum Jülich Erster GeSn-Halbleiterlaser für Silizium-Chips

Schematischer Aufbau des Germanium-Zinn-Lasers, der mittels einer Zwischenschicht aus reinem Germanium (orange), direkt auf dem Silizium-Wafer (blau) aufgebracht wird.
Schematischer Aufbau des Germanium-Zinn-Lasers, der mittels einer Zwischenschicht aus reinem Germanium (orange), direkt auf dem Silizium-Wafer (blau) aufgebracht wird.

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und des Paul Scherrer Instituts haben den ersten Germanium-Zinn-Halbleiterlaser entwickelt. Er lässt sich direkt auf einem Silizium-Chip aufbringen und schafft damit eine neue Grundlage, um Daten mittels Licht auf Computerchips zu übertragen.

Dabei würde die Datenübertragung schneller und mit einem Bruchteil der Energie erfolgen, als es über klassische Kupferleitungen möglich wäre.

»Die Signalübertragung über Kupferverbindungen limitiert die Weiterentwicklung von größeren und schnelleren Rechnern aufgrund der Wärmebelastung sowie der begrenzten Bandbreite von Kupferverbindungen«, erläutert Prof. Detlev Grützmacher, Direktor am Jülicher Peter Grünberg Institut. »Allein das Signal zur Synchronisation der Schaltkreise verbraucht bis zu 30 Prozent der Energie – Energie, die sich durch die optische Übertragung einsparen lässt.«

Langstrecken-Telekommunikationsnetze und Rechenzentren setzen teilweise schon seit Jahrzehnten auf optische Verbindungen. Mit ihnen lassen sich auch über größere Entfernungen noch sehr hohe Bandbreiten erzielen. Über Glasfaserkabel pflanzen sich die Signale praktisch verlustfrei und simultan über verschiedene Wellenlängen fort: Ein Geschwindigkeitsvorteil, von dem zunehmend auch die Mikro- und Nanoelektronik profitiert.

Passendes Material für die Chip-Produktion

Grundlage der Chip-Fertigung ist Silizium, das der vierten Hauptgruppe im Periodensystem angehört. Typische Halbleiterlaser für Telekommunikationssysteme, etwa aus Galliumarsenid, sind jedoch teuer und bestehen aus Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe. Das wirkt sich grundlegend auf die Kristalleigenschaften aus. Entsprechende Laserbauelemente lassen sich daher nicht direkt auf Silizium aufbringen. Sie müssen aufwendig extern produziert und beispielsweise nachträglich mit dem Wafer verklebt werden. Dass sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten deutlich von Silizium unterscheiden, schränkt die Lebensdauer derartiger Elemente allerdings stark ein.

Halbleiter der vierten Hauptgruppe – dazu gehört neben Silizium auch Germanium – lassen sich dagegen ohne grundlegende Schwierigkeiten in den Herstellungsprozess integrieren. Doch beide Elemente sind als Lichtquelle nicht besonders effizient. Sie zählen zu den so genannten indirekten Halbleitern. Im Gegensatz zu einem direkten Halbleiter geben sie im angeregten Zustand in erster Linie Wärme und nur wenig Licht ab. Forschergruppen auf der ganzen Welt verfolgen daher intensiv das Ziel, die Materialeigenschaften von Germanium so zu manipulieren, dass es sich zur Verstärkung optischer Signale und damit als Laserquelle nutzen lässt.