Technische Universität München Siliziumchip mit integriertem Laser

Nanodrähte auf einer Silizium-Oberfläche
Nanodrähte auf einer Silizium-Oberfläche

1000-mal dünner als ein Haar sind die neuen, an der TU München entwickelten Nanodraht-Laser. Der Clou: Sie wachsen aufrecht direkt auf Silizium-Chips. So lassen sich leistungsfähige photonische Bauelemente kostengünstig herstellen – eine Grundvoraussetzung für die künftige Datenverarbeitung mit Licht.

Immer kleiner, immer schneller, immer billiger – seit Beginn des Computerzeitalters verdoppelt sich die Leistung von Prozessoren durchschnittlich alle 18 Monate. Doch allmählich stößt die Miniaturisierung der Elektronik an physikalische Grenzen. »Schon heute sind Transistoren nur noch einige Nanometer groß«, sagt Professor Jonathan Finley, Leiter des Walter-Schottky-Instituts der TU München (TUM). »Reduziert man die Abmessungen noch weiter, steigen die Kosten massiv. Eine Steigerung der Leistung ist nur realisierbar, wenn man Elektronen durch Photonen, also Lichtteilchen, ersetzt.«

Photonik – der Königsweg zur Miniaturisierung

Die Datenübertragung und -verarbeitung mit Licht hat das Potenzial, die bisherigen Grenzen der Elektronik zu überschreiten. Tatsächlich gibt es bereits erste Photonik-Chips aus Silizium. Die Lichtquellen für die Informationsübertragung müssen jedoch durch komplizierte und aufwändige Fertigungsschritte mit dem Silizium verbunden werden. Weltweit suchen Forscher daher nach alternativen Methoden.

Der Durchbruch ist jetzt Forschern an der TU München gelungen: Dr. Gregor Koblmüller vom Lehrstuhl für Halbleiter Quanten-Nanosysteme hat zusammen mit Jonathan Finley ein Verfahren entwickelt, Nanodrahtlaser direkt auf Silizium-Chips abzuscheiden. Die Technologie wurde bereits zum Patent angemeldet.

Die Verbindung eines III-V Halbleiters mit Silizium erforderte einiges an Tüftelarbeit: »Die beiden Materialien haben unterschiedliche Gitterabstände und unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Das führt zu Spannungen«, erläutert Koblmüller. »Dampft man zum Beispiel Galliumarsenid flächig auf Silizium auf, treten Defekte auf.«

Dem TUM-Team gelang es, dieses Problem zu umgehen: Die Nanodrähte stehen aufrecht auf dem Silizium, die Grundfläche beträgt dadurch nur noch einige Quadratnanometer. Defekte können die Wissenschaftler so weitestgehend vermeiden.