Dass photonische Chips erhebliche Vorteile gegenüber elektronischen Chips haben, ist inzwischen bekannt. Der Datentransfer kann schneller und kostengünstiger erfolgen. Außerdem kommt es nicht zu der hohen Wärmeentwicklung, unter der große Rechenzentren heute leiden. Bisher jedoch war dies mit dem Rohstoff Silizium nicht möglich; dafür mussten das wesentlich teurere und seltenere Galliumarsenid und Indiumphosphid verwendet werden. Forscher der Technischen Universität Eindhoven (TU/e) in den Niederlanden haben nun aber doch einen Weg gefunden, mit Silizium Licht zu emittieren. Das ist nach 50 Jahren Forschung ein großer Durchbruch .

Das Emittieren von Licht aus Silizium ist seit Jahrzehnten der “Heilige Gral” der Mikroelektronikindustrie. Forschern der Technischen Universität Eindhoven ist es nun gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Jena, Linz und München gelungen, genau das zu erreichen: Sie haben eine Legierung mit Silizium entwickelt, die Licht emittieren kann. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht. Das Team ist nun dabei einen Silizium-Laser herzustellen, der in modernen Chips integriert werden soll.

Ein Blick ins Innere der Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). Dieses Gerät wurde genutzt, um die Nanodrähte mit hexagonalen Silizium-Germanium-Hüllen zu züchten. Foto: Nando Harmsen, TU/e.

Wärme

Jedes Jahr produzieren und verwenden wir deutlich mehr Daten. Aber unsere derzeitige Technologie, die auf elektronischen Chips basiert, stößt an ihre Grenzen. Der begrenzende Faktor ist die Wärme, die durch den Widerstand der Elektronen freigesetzt wird. Dieser Widerstand entsteht, wenn die Elektronen durch die Kupferleitungen strömen, die die vielen Transistoren auf einem Chip verbinden. Wenn wir weiterhin jedes Jahr immer mehr Daten übertragen wollen, brauchen wir eine neue Technik, die keine Wärme erzeugt. Die Photonik bietet eine Lösung, denn diese Methode verwendet Photonen (Lichtteilchen) zur Datenübertragung.

Im Gegensatz zu Elektronen erfahren Photonen keinen Widerstand. Da sie keine Masse oder Ladung haben, streuen sie weniger in dem Material, das sie durchqueren. Deshalb erzeugen sie keine Wärme und der Energieverbrauch wird gesenkt. Darüber hinaus kann durch den Ersatz der elektrischen durch optische Kommunikation innerhalb eines Chips die Geschwindigkeit der Kommunikation innerhalb des Chips wie auch zwischen den Chips um den Faktor 1000 erhöht werden. Rechenzentren profitieren davon am meisten, durch schnelleren Datentransfer und geringeren Energieverbrauch für ihr Kühlsystem. Aber die photonischen Chips bringen auch ganz neue Anwendungen in Reichweite. Man denke an ein Radar mit Laser für selbstfahrende Autos und chemische Sensoren zur medizinischen Diagnose oder zur Messung der Luft- und Lebensmittelqualität.

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Silizium billiger als Galliumarsenid und Indiumphosphid

Um Licht in Chips zu verwenden, benötigen Sie eine Lichtquelle; einen integrierten Laser. Das wichtigste Halbleitermaterial, aus dem Computerchips heute hergestellt werden, ist Silizium. Aber Silizium ist extrem ineffizient beim Aussenden von Licht. Deshalb dachte man lange Zeit, dass es in der Photonik keine Rolle spielen würde. Die Wissenschaftler haben sich daher auf komplexere Halbleiter wie Galliumarsenid und Indiumphosphid konzentriert. Diese emittieren zwar gut Licht, sind aber teurer als Silizium und lassen sich nur schwer in bestehende Silizium-Mikrochips integrieren.

Um einen vollwertigen Silizium-Laser herzustellen, mussten die Wissenschaftler eine Form von Silizium finden, die Licht emittieren kann. Genau das ist den Forschern der Technischen Universität Eindhoven jetzt gelungen. Gemeinsam mit Forschern der Universitäten Jena, Linz und München kombinierten sie Silizium und Germanium in einer hexagonalen Kristallstruktur, die Licht emittieren kann.

Sechseckige Struktur

“Die Krux liegt in der Natur der so genannten ‘Bandlücke’ eines Halbleiters”, sagt der leitende Forscher Erik Bakkers von der TU/e in Eindhoven. “Wenn ein Elektron vom Leitungsband in das Valenzband ‘fällt’, sendet ein Halbleiter ein Photon aus: Licht”. Wenn sich das Leitungsband und das Valenzband nicht direkt gegenüberliegen, was als indirekte Bandlücke bezeichnet wird, können keine Photonen emittiert werden – wie es bei Silizium der Fall ist. “Eine 50 Jahre alte Theorie zeigte jedoch, dass mit Germanium legiertes Silizium, das in einer hexagonalen Struktur geformt ist, eine direkte Bandlücke hat und daher möglicherweise Licht emittieren kann”, sagt Bakkers.

Erstautorin Elham Fadaly kontrolliert die Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). Foto: Sicco van Grieken, SURF

Die Umformung von Silizium in eine hexagonale Struktur ist jedoch nicht einfach. Da Bakkers und sein Team die Technik des Züchtens von Nanodrähten beherrschen, konnten sie 2015 hexagonales Silizium herstellen. Sie erzielten reines hexagonales Silizium, indem sie zunächst Nanodrähte aus einem anderen Material mit einer hexagonalen Kristallstruktur züchteten. Dann züchteten sie auf dieser Schablone eine Silizium-Germanium-Hülle. Elham Fadaly, eine der beiden Verfasserinnen der Nature-Veröffentlichung, erklärt: “Als wir die Siliciumatome auf der hexagonalen Schablone wachsen ließen, konnten wir feststellen, dass sie ebenfalls eine hexagonale Kristallstruktur bildeten”.

Aber das hexagonale Silizium war damals noch nicht in der Lage, Licht auszusenden. 2015 ist es Bakkers Team jedoch gelungen, die Qualität des hexagonalen Siliciumgermaniums zu erhöhen, indem die Zahl der Verunreinigungen und Kristalldefekte reduziert wurde. Durch Bestrahlung des Nanodrahtes mit einem Laser konnte dann die Effizienz des neuen Materials gemessen werden. Alain Dijkstra, Mitautor des Artikels und verantwortlich für die Messung der Lichtemission: “Unsere Experimente zeigten, dass das Material die richtige Struktur hat und dass es frei von Fehlern ist. Es strahlt sehr effizient Licht ab”.

Noch in diesem Jahr ein Silizium-Laser

Die Herstellung eines Lasers ist jetzt nur noch eine Frage der Zeit, so Bakker. “Inzwischen haben wir optische Eigenschaften erreicht, die mit denen von Indiumphosphid und Galliumarsenid nahezu vergleichbar sind. Darüber hinaus hat sich die Qualität der Materialien stark verbessert. Wenn alles gut geht, werden wir in der Lage sein, bis 2020 einen Laser auf Siliziumbasis herzustellen. Damit wird es möglich sein, optische Funktionalität in die dominante Elektronikplattform zu integrieren. Dies wird die Perspektiven für optische Kommunikation auf dem Chip und erschwingliche chemische Sensoren auf Basis der Spektroskopie eröffnen”.