Forschung an Photonik-Chips Grundlage für siliziumbasierte Laser gelegt

Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Sie könnten direkt in die gängigen Prozesse der Silizium-Halbleitertechnologie integriert werden.
Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter. In dieser Kristallstruktur können sie Licht emittieren und kommen für die Herstellung von Lasern in Frage, die über die gängigen Herstellungsprozesse in Silizium-Halbleiter integriert werden können.

Forscher der Technischen Universität Eindhoven und der Technischen Universität München haben eine Licht emittierende Legierung aus Germanium und Silizium entwickelt. Sie gelten als Grundlage für Siliziumlaser für Photonik-Chips.

Rein elektronische Chips erzeugen bei der Datenübertragung ein relativ hohes Maß an Abwärme. Rechenzentren benötigen zum Beispiel Kühlaggregate mit Megawatt-Leistung. Abhilfe schaffen könnte die Photonik. Seit 50 Jahren bemüht sich die Forschung, Laser aus Silizium oder Germanium zu bauen. Die große Hürde ist dabei das Silizium. Es kristallisiert normalerweise in einem kubischen Kristallgitter und ist in dieser Form nicht für eine stimulierte Lichtemission geeignet.

Forschern an der Technischen Universität Eindhoven (TU/e) ist es zusammen mit Kollegen der Technischen Universität München (TUM) sowie der Universitäten in Jena und Linz gelungen, Legierungen aus Germanium und Silizium zu entwickeln, die Licht emittieren können. Dafür mussten Germanium und verschiedene Legierungen aus Germanium und Silizium in ein hexagonales Kristallgitter gebracht werden. »Dieses 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.

Hexagonal kristalliserende Struktur als Template

Die aktuelle Forschungsarbeit fußt auf einer Methode, die 2015 an der TU/e entwickelt wurden. Damals erzeugte eine Arbeitsgruppe um Prof. Erik Bakkers hexagonales Silizium, indem sie Nanodrähte aus einem anderen Material mit einer hexagonalen Kristallstruktur herstellten sie mit einer Schicht aus Germanium und Silizium überzogen. Das unter dem Silizium und Germanium liegende Material fungiert als Template, das der Germanium-Silizium-Legierung die hexagonale Struktur aufprägt. In der Folge wurde das Herstellungsverfahren zusammen mit Kollegen am Walter Schottky Institut der TUM optimiert, um eine Lichtemission zu ermöglichen.

Die Zwischenbilanz von Erik Bakkers: »Inzwischen haben wir optische Eigenschaften erzielt, die fast mit Indiumphosphid oder Galliumarsenid vergleichbar sind.« Einen Laser aus Germanium-Silizium-Legierungen zu bauen, der sich in Siliziumchips über gängige Herstellungsprozesse integrieren lässt, erscheint damit nur noch eine Frage der Zeit, heißt es in einer Mitteilung der TUM.

»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 könnten 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.«