Photonik-Chips

Silizium-Germaniumlaser in Reichweite

09. April 2020, 10:39 Uhr   |  Hagen Lang

Silizium-Germaniumlaser in Reichweite
© Elham Fadaly / TU/e

Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Sie könnten direkt in die gängigen Prozesse der Silizium-Halbleitertechnologie integriert werden.

Die optische Datenübertragung auf und zwischen Chips erzeugt im Vergleich zu elektronischer Kommunikation keine Abwärme und ist erheblich schneller. Den hierfür noch fehlenden Legierungen kamen Forscher aus Eindhoven und München auf die Spur.

Ein Team aus Forschern der Technischen Universität Eindhoven (TU/e), der Technischen Universität München (TUM) sowie aus Jena und Linz hat eine Legierung aus Germanium und Silizium entwickelt, die Licht emittieren kann. Damit rücken Siliziumlaser in greifbare Nähe, die direkt in Chips integriert werden können. Die Germanium-Silizium-Legierung muss in Form von Nanodrähten mit hexagonalem Kristallgitter vorliegen, um Licht erzeugen zu könnten. Diese könnten direkt in die gängigen Prozesse der Silizium-Halbleitertechnologie integriert werden.

Nur die Legierung mit hexagonalem Kristallgitter verfügt über die gewünschten photonischen Eigenschaften: „Dieses Material hat eine direkte Bandlücke und kann daher selbst Licht erzeugen“, sagt Prof. Jonathan Finley, Professor für Halbleiter-Nanostrukturen und -Quantensysteme am Walter Schottky Institut der TU München.

2015 entwickelten Prof. Erik Bakkers und sein Team an der TU Eindhoven Nanodrähte aus einem anderem Material mit hexagonaler Kristallstruktur und überzogen sie mit einer Schicht aus Germanium und Silizium. Die unter der Germanium-Silizium-Legierung liegende Schicht zwingt der Germanium-Silizium-Legierung dabei ihre hexagonal Struktur auf. Die Lichterzeugung scheiterte jedoch. Die Herstellungsverfahren wurden dann in jahrelanger Kooperation mit dem Walter Schottky Institut der TU München so verbessert, dass die Nanodrähte schließlich Licht aussendeten.

„Inzwischen haben wir optische Eigenschaften erzielt, die fast mit Indiumphosphid oder Galliumarsenid vergleichbar sind“, sagt Bakkers. Einen Laser aus Germanium-Silizium-Legierungen zu bauen, der noch dazu in die gängigen Herstellungsprozesse integriert werden kann, erscheint damit nur noch eine Frage der Zeit.  

„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.“

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