Chip mit integriertem Laser

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

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.

Ein Durchbruch ist jetzt Forschern an der TU München gelungen: 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.

Doch wie wird ein Nanodraht zum Laser? Um kohärentes Licht zu erzeugen, müssen die Photonen am oberen und unteren Ende des Drahts reflektiert werden, wodurch sich der Lichtpuls verstärkt, bis er die gewünschte Leistung erreicht hat. Um diese Bedingungen zu erfüllen, mussten die Forscher tief in die physikalische Trick­kiste greifen: „Die Grenze zwischen Gallium­arsenid und Silizium reflektiert nicht genügend Licht. Wir haben daher einen Extra-Spiegel eingebaut – eine 200 Nanometer dünne Silizium­oxid-Schicht, die auf das Silizium aufgedampft wird“, erklärt Benedikt Mayer, Doktorand im Team von Koblmüller und Finley. „In die Spiegelschicht lassen sich dann feine Löcher ätzen, und in denen kann man mittels Epitaxie Atom für Atom, Schicht für Schicht Halb­leiter-Nanodrähte züchten.“

Erst wenn die Drähte über die Spiegelfläche herausragen, dürfen sie in die Breite wachsen – solange, bis der Halbleiter dick genug ist, damit Photonen in ihm hin und her flitzen und die Aussendung weiter Licht­teilchen anregen können. „Dieser Prozess ist sehr elegant, weil wir die Nanodraht-Laser so direkt auf die Wellen­leiter im Silizium Chip positionieren können“, so Koblmüller.

Derzeit produzieren die neuen Galliumarsenid Nanodraht-Laser infrarotes Licht mit einer fest vorgegebenen Wellenlänge und unter gepulster Anregung. „In Zukunft wollen wir die Emissionswellenlänge sowie weitere Laserparameter gezielt verändern, um die Licht­ausbreitung unter kontinuierlicher Anregung im Silizium-Chip und die Temperatur­stabilität noch besser steuern zu können“, ergänzt Finley. Das nächste Ziel steht bereits fest: „Wir wollen eine Schnittstelle zum Strom zu schaffen, damit wir die Nanodrähte elektrisch betreiben können und keine externen Laser mehr benötigen“, erläutert Koblmüller.

„Die Arbeiten sind eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung hochleistungsfähiger optische Komponenten für zukünftige Computer“, resümiert Finley. „Wir konnten zeigen, dass eine Fertigung von Siliziumchips mit integrierten Nanodraht-Lasern möglich ist.“

TUM / DE