Ein hocheffizienter Laser für Siliziumchips

Transistoren in Computerchips arbeiten elektrisch, doch über­mitteln lassen sich die Daten schneller mit Licht. Schon lange suchen Forscher daher nach einem Weg, einen Laser direkt in Silizium­chips zu integrieren. Wissen­schaftler des Forschungs­zentrums Jülich sind dabei nun einen Schritt weiter­gekommen. Gemeinsam mit Forschern in Frankreich haben sie einen kompatiblen Halb­leiter­laser aus Germanium und Zinn entwickelt, der von der Effizienz her bereits mit herkömm­lichen GaAs Halb­leiter­lasern vergleichbar ist.

„Was vorrangig fehlt, ist ein kosten­günstiger Laser, der für das Erreichen sehr hoher Daten­raten notwendig ist. Ideal wäre ein elektrisch gepumpter Laser, der mit der silizium­basierten CMOS-Techno­logie kompatibel ist“, erklärt Detlev Grütz­macher vom Forschungs­zentrum Jülich. „Einen solchen Laser könnte man dann einfach direkt bei der Chip-Fertigung ausformen, denn die gesamte Chip-Produktion beruht letztlich auf dieser Techno­logie.“

Das Problem: Reines Silizium ist ein indirekter Halb­leiter und als Laser­material ungeeignet. Für den Bau von Lasern werden daher aktuell andere Materialien verwendet. In der Regel kommen 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 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 Forscher des Forschungs­zentrums Jülich den Nachweis erbracht, dass sich durch die Beimischung von Zinn Laser­licht erzeugen lässt. Entscheidend ist dabei der hohe Zinn­gehalt, damals betrug er über acht Prozent, weit über der Löslich­keits­grenze von einem 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. Das patentierte 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/cm notwendig“, erklärt Team-Mitglied 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 etwa fünf 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 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“, erklärt Grütz­macher. Denn die Funktion des neuen Lasers ist momentan noch auf optische Anregung und tiefe Temperaturen im Bereich von minus 200 bis minus 170 Grad Celsius beschränkt.

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 zwei und vier Mikro­metern 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.

FZ Jülich / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Elbaz et al.: Ultra-low-threshold continuous-wave and pulsed lasing in tensile-strained GeSn alloys, Nat. Phot., online 16. März 2020; DOI: 10.1038/s41566-020-0601-5
• Halbleiter-Nanoelektronik (D. Grützmacher), Peter-Grünberg-Institut, Forschungszentrum Jülich