TU Eindhoven Photonische Chips aus Silizium in Reichweite

Die beiden Erstautoren Elham Fadaly (links) und Alain Dijkstra (rechts) arbeiten an einem optischen Aufbau zur Messung des emittierten Lichts. Die Emission aus der hexagonalen SiGe-Legierung erwies sich als sehr effizient und eignet sich dazu, einen siliziumkompatiblen Laser herzustellen.
Die beiden Erstautoren Elham Fadaly (links) und Alain Dijkstra (rechts) arbeiten an einem optischen Aufbau zur Messung des emittierten Lichts. Die Emission aus der hexagonalen SiGe-Legierung erwies sich als sehr effizient und eignet sich dazu, einen siliziumkompatiblen Laser herzustellen.

Licht mit Silizium zu emittieren, gilt als der Heilige Gral der Mikroelektronik. Dies könnte die Informationsverarbeitung revolutionieren, da die Chips schneller und effizienter als je zuvor arbeiten könnten. Forscher der Technischen Universität Eindhoven wollen dies nun geschafft haben.

Von Jahr zu Jahr generieren und verarbeiten wir immer mehr Daten. Allerdings stößt unsere aktuelle Datentechnik an ihre Grenzen. Der begrenzende Faktor ist die Erwärmung infolge der ohmschen Verluste im Chip. Wollen wir auch künftig jedes Jahr mehr Daten übertragen, brauchen wir eine neue Technik, die keine Abwärme erzeugt. Damit kommt die Photonik ins Spiel, die Photonen verwendet, um Daten zu übertragen.

Im Gegensatz zu Elektronen müssen Photonen keinen Widerstand überwinden. Da sie weder Masse noch Ladung haben, streuen sie in dem Material, das sie durchqueren, weniger. Somit entsteht keine Abwärme und dementsprechend sinkt die Energieaufnahme. Darüber hinaus lässt sich dadurch, dass die Kommunikation optisch erfolgt, die Datenrate auf dem Chip und zwischen Chips um den Faktor 1000 erhöhen. Rechenzentren würden am meisten profitieren, und zwar durch eine schnellere Datenübertragung und dadurch, dass sie für weniger Energie die Kühlung benötigen. Diese photonischen Chips könnten aber auch ganz neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, beispielsweise laserbasierte Radargeräte für autonome Fahrzeuge und chemische Sensoren für die medizinische Diagnostik oder zur Messung der Luft- und Lebensmittelqualität.

Um Licht in Chips einsetzen zu können, ist ein integrierter Laser erforderlich. Das Basismaterial moderner Computerchips ist Silizium. Allerdings emittiert reines Silizium Licht äußerst ineffizient. Deshalb nahm man lange Zeit an, es würde in der Photonik keine Rolle spielen. Daher wandten sich die Forscher komplexeren Halbleitern zu, zum Beispiel Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP). Diese emittieren Licht zwar gut, sind aber teurer als Silizium und lassen sich nur schwer in solche Chips integrieren.

Um einen Laser zu entwickeln, der mit Silizium kompatibel ist, mussten die Forscher also eine Form von Silizium finden, die Licht emittieren kann. Genau das ist Forschern der Technischen Universität Eindhoven (TU/e) nun gelungen. Gemeinsam mit Forschern der Universitäten Jena, Linz und München kombinierten sie Silizium und Germanium in einer hexagonalen Struktur, die Licht emittieren kann.

Hexagonale Struktur

»Die Krux liegt in der Natur der sogenannten Bandlücke eines Halbleiters«, erläutert Erik Bakkers, der leitende Forscher von der TU/e. »Fällt ein Elektron vom Leitungsband in das Valenzband zurück, sendet ein Halbleiter ein Photon aus, also Licht.« Sind jedoch diese beiden Bänder gegeneinander verschoben (indirekte Bandlücke), entstehen keine Photonen. Dies ist beispielsweise bei reinem Silizium der Fall. Bakkers ergänzt: »Eine 50 Jahre alte Theorie besagte jedoch, dass Silizium, wenn es mit Germanium legiert und in einer hexagonalen Struktur geformt ist, eine direkte Bandlücke hat und daher möglicherweise Licht emittieren kann.«

Silizium in einer hexagonalen Struktur zu formen, ist jedoch nicht einfach. Da Bakkers und sein Team erfolgreich Nanodrähte züchten können, gelang es ihnen im Jahr 2015, hexagonales Silizium herzustellen. Dafür züchteten sie zunächst Nanodrähte aus einem anderen Material mit einer hexagonalen Kristallstruktur. »Dann schieden sie auf dieser Schablone eine Hülle aus einer Silizium-Germanium-Legierung ab«, berichtet Elham Fadaly, eine Erstautorin der Studie. »Dadurch konnten wir das Silizium dazu zwingen, in einer hexagonalen Struktur zu wachsen.«

Silizium-Laser

Allerdings gelang es bis dato noch nicht, sie leuchten zu lassen. Nun jedoch gelang es dem Team um Bakkers, die Qualität der hexagonalen Silizium-Germanium-Schalen zu erhöhen, indem sie die Zahl der Verunreinigungen und Kristalldefekte verringerten. Indem sie den Nanodraht mit einem Laser anregten, konnten sie die Effizienz des neuen Materials messen. Alain Dijkstra, ebenfalls Erstautor der Arbeit und verantwortlich für die Messung der Lichtemission, erklärte: »Unsere Experimente zeigten, dass das Material die richtige Struktur hat und dass es frei von Defekten ist. Es emittiert sehr effizient Licht ab.«

Einen entsprechenden Laser zu entwickeln sei jetzt nur noch eine Frage der Zeit, meint Bakkers. »Mittlerweile verfügen sie über optische Eigenschaften, die mit Indiumphosphid und Galliumarsenid annähernd gleich sind, und die Materialqualität verbessert sich enorm. Läuft alles nach Plan, können wir schon im Jahr 2020 einen Laser auf Siliziumbasis schaffen. Damit ließen sich optische Funktionen vollständig in bestehende Elektronikplattformen integrieren. Dies könnte neue Perspektiven für die optische Kommunikation auf dem Chip und erschwingliche chemische Sensoren auf spektroskopischer Basis eröffnen.«

Auch geht sein Team der Frage nach, wie sich das hexagonale Silizium in die kubische Mikroelektronik integrieren lasse. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für die praktische Realisierung dar.

Originalpublikation

E. M. T. Fadaly, A. Dijkstra, et al., Direct-bandgap Emission from Hexagonal Ge and SiGe Alloys, DOI: 10.1038/s41586-020-2150-y