Germanium-Zinn macht´s möglich

Effiziente Laser auf ICs integrierbar

17. März 2020, 14:11 Uhr | Heinz Arnold
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Germanium-Zinn-Lasers (links). Die nur wenige Mikrometer breite Germanium-Zinn-Schicht wird auf eine sogenannte Stressorschicht aus Siliziumnitrid und einen Aluminiumsockel zur besseren Wärmeableitung aufge
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Germanium-Zinn-Lasers.
© Forschungszentrum Jülich / Nils von den Driesch

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben einen Halbleiterlaser aus Germanium und Zinn entwickelt, der sich auf Silizium-ICs integrieren lässt.

Schon lange suchen Forscher nach einem Weg, einen Laser direkt in Siliziumchips zu integrieren. Gemeinsam mit Forschern des Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) in Paris und dem französischen Unternehmen STMicroelectronics sowie CEA-LETI Grenoble haben die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich einen kompatiblen, der von der Effizienz her bereits mit herkömmlichen GaAs Halbleiterlasern vergleichbar ist.

Die optische Datenübertragung ermöglicht deutlich höhere Datenraten und Reichweiten als gängige elektronische Verfahren, und benötigt gleichzeitig weniger Energie. In Rechen- und Datenzentren sind optische Leitungen daher bereits ab einer Länge von etwa einem Meter Standard. Für die Zukunft sind optische Systeme aufgrund der stetig steigenden Anforderungen für immer kürzere Strecken gefragt, um Daten von Board zu Board oder Chip zu Chip zu übertragen.

Dies trifft insbesondere für Systeme der Künstlichen Intelligenz (KI) zu, beispielsweise für autonomes Fahren, wo große Datenmengen innerhalb eines großen Netzwerks mit Sensoren transferiert werden müssen, um den Chip und Algorithmen zu trainieren.

»Was vorrangig fehlt, ist ein kostengünstiger Laser, die Voraussetzung, um sehr hohe Datenraten zu erreichen. Ideal wäre ein elektrisch gepumpter Laser, der mit der Silizium-basierten CMOS-Technologie kompatibel ist«, erklärt Prof. Detlev Grützmacher, Direktor am Peter Grünberg Institut (PGI-9) des Forschungszentrums Jülich. »Einen solchen Laser könnte man dann einfach direkt während der Chip-Fertigung ausformen, denn die gesamte Chip-Produktion beruht letztlich auf dieser Technologie.«

Die nur wenige Mikrometer breite Germanium-Zinn-Schicht wird auf eine sogenannte Stressorschicht aus Siliziumnitrid und einen Aluminiumsockel zur besseren Wärmeableitung aufgebracht, und anschließend mit Siliziumnitrid ummantelt (rechts). Durch die O
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Germanium-Zinn-Lasers (links). Die nur wenige Mikrometer breite Germanium-Zinn-Schicht wird auf eine sogenannte Stressorschicht aus Siliziumnitrid und einen Aluminiumsockel zur besseren Wärmeableitung aufgebracht, und anschließend mit Siliziumnitrid ummantelt (rechts). Durch die Orientierung der Germamium-Zinn-Verbindung an den weiteren Atomabständen im Kristallgitter des Silizium-Nitrids entsteht eine Verspannung im eingebetteten Material, die eine optische Verstärkung bewirkt.
© Forschungszentrum Jülich / Nils von den Driesch

Das Problem: Reines Silizium ist ein sogenannter indirekter Halbleiter und als Lasermaterial ungeeignet. Für den Bau von Lasern werden daher aktuell andere Materialien verwendet. In der Regel kommen sogenannte III-V-Verbindungshalbleiter zum Einsatz. »Deren Kristallgitter ist jedoch völlig anders aufgebaut als das von Silizium, das in die vierte Hauptgruppe des Periodensystems gehört. Laser-Bausteine werden daher bis jetzt extern produziert und müssen dann nachträglich kostspielig angebunden werden«, erläutert Detlev Grützmacher.

Der neue Laser ist dagegen direkt im Zuge des CMOS-Prozesses herstellbar. Er basiert auf Germanium, das wie Silizium aus der vierten Hauptgruppe stammt. Bereits 2015 hatten Jülicher Forscher den Nachweis erbracht, dass sich durch die Beimischung von Zinn Laserlicht erzeugen lässt. Entscheidend ist dabei der hohe Zinngehalt, damals betrug er über 8 Prozent, weit über der Löslichkeitsgrenze von 1 Prozent.

»Reines Germanium ist wie Silizium von Natur aus ein indirekter Halbleiter. Erst die hohe Zinnkonzentration sorgt dafür, dass daraus ein direkter Halbleiter für eine Laserquelle wird«, erklärt Dr. Dan Buca, Arbeitsgruppenleiter am Peter Grünberg Institut (PGI-9).

Das patentierte Jülicher Verfahren wird mittlerweile von mehreren Forschungsgruppen auf der ganzen Welt genutzt. Durch eine weitere Erhöhung der Zinnkonzentration konnten bereits Laser realisiert werden, die nicht nur bei tiefen Temperaturen, sondern auch bei Raumtemperatur funktionieren.

»Ein hoher Zinngehalt mindert allerdings die Effizienz. Der Laser benötigt dann eine recht hohe Pumpleistung. Bei 12 bis 14 Prozent Zinn sind 100 bis 300 kW/cm2 notwendig«, erklärt Nils von den Driesch. »Wir haben daher versucht, die Zinnkonzentration zu reduzieren, indem wir das Material zusätzlich verspannen, wodurch sich die optischen Eigenschaften noch deutlich verbessern lassen.«

Für den neuen Laser haben die Forscher den Zinngehalt auf rund 5 Prozent heruntergeschraubt – und die benötigte Pumpleistung auf 0,8 kW/cm2 reduziert. Dabei entsteht so wenig Abwärme, dass sich der Laser als erster Gruppe-IV-Halbleiterlaser nicht nur gepulst, sondern auch kontinuierlich im sogenannten Dauerstrich betreiben lässt.

»Diese Werte demonstrieren, dass ein Germanium-Zinn-Laser technologisch machbar ist, der von der Effizienz her dem Niveau gängiger III-V-Halbleiterlaser entspricht. Damit scheint jetzt auch ein Laser für die industrielle Anwendung in Reichweite, der bei Raumtemperatur funktioniert«, sagt Institutsdirektor Detlev Grützmacher. Denn die Funktion des neuen Lasers ist momentan noch auf optische Anregung und tiefe Temperaturen im Bereich von - 200 bis - 170 °C.
Ein solcher Laser wäre nicht für die optische Übertragung von Daten, sondern auch für vielfältige andere Anwendungen interessant. Denn für die entsprechenden Wellenlängen im nahen Infrarotbereich zwischen 2 und 4 µm gibt es bis jetzt kaum kostengünstige Alternativen. Potenzielle Anwendungen reichen von Infrarot- und Nachtsicht-Systemen bis hin zu Gassensoren für die Infrarot-Spektroskopie zur Überwachung von Umwelt- und Atemgasen in der Klimaforschung und Medizin.


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