Lichtschalter für Siliziumchips

Lichtschalter für Siliziumchips

Ein optischer Modulator aus Silizium und Germanium könnte neuen Schwung in die Optoelektronik bringen.

Für die schnelle Übertragung und Verarbeitung von Informationen setzt man neben elektrischen Signalen in zunehmendem Maße auch Lichtsignale ein. Die Umwandlung von elektrischen in optische Signale und umgekehrt ist die Aufgabe der Optoelektronik. In den optoelektronischen Bauelementen kommen vor allem III-V-Halbleiter wie Galliumarsenid und Indiumphosphid zum Einsatz. Doch diese Halbleiter lassen sich nicht in die Siliziumelektronik integrieren, da ihre Kristallstruktur nicht mit der des Siliziums zusammenpasst. Silizium wiederum hat – als Halbleiter mit indirekter Bandlücke – nicht die von der Optoelektronik gewünschten optischen Eigenschaften. Was tun?

Im vergangenen Jahr hatten Forscher des Chip-Hersteller Intel einen optischen Modulator aus polykristallinen Siliziumstreifen hergestellt, der elektrische Signale im Gigahertzbereich auf einen Lichtstrahl aufmodulieren konnte. Dabei veränderte eine Steuerspannung den Brechungsindex der Siliziumstreifen, wodurch sich die Phase des Lichtstrahls änderte. Durch optische Interferenz ließ sich dann die Intensität des austretenden Lichtstrahls im Takt der angelegten Spannung variieren. Da das Licht dazu einige Millimeter im Silizium zurücklegen muss, ist es nicht möglich, eine sehr große Zahl dieser Modulatoren in einem Siliziumchip zu integrieren.

Einen erfolgversprechenderen Weg sind jetzt Yu-Hsuan Kuo von der Stanford University in Kalifornien und seine Kollegen gegangen. Sie haben einen optischen Modulator aus Silizium und Germanium hergestellt, der nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet wie die besten Modulatoren aus III-V-Halbleitern – und der überraschenderweise auch vergleichbare Leistungen bringt! Frühere Versuche mit Germanium, das wie das Silizium eine indirekte Bandlücke hat, waren erfolglos geblieben.

Der neue, siliziumkompatible Modulator besteht aus einer Folge von insgesamt 20 Schichten aus Germanium und Silizium-Germanium, die abwechselnd auf einen Siliziumwafer aufgedampft wurden. Die 16 nm dicken Silizium-Germanium-Schichten wirken dabei wie Barrieren, die die Leitungselektronen in den 10 nm dicken Germaniumschichten einschließen. Dabei lassen sich die Energien der Elektronen in diesen Quantengräben durch die Wahl der Schichtdicken nach Maß schneidern. Mit einem elektrischen Feld können dann die Elektronenenergien sehr schnell verändert werden, und mit ihnen die optischen Eigenschaften der Schichtfolge. Man spricht in diesem Zusammenhang vom quantum-confined Stark-Effekt.

Die Forscher wählten die Schichtdicken so, dass die Photonen des eingestrahlten Infrarotlichts nicht genug Energie hatten, um Elektronen aus dem Valenzband der Germaniumschicht in ihr Leitungsband zu befördern. Wurde eine Spannung von knapp einem Volt an die Schichtstruktur angelegt, so verringerte sich die nötige Anregungsenergie und die Elektronen konnten vom Valenz- ins Leitungsband wechseln. Dabei ließen sie Löcher zurück, mit denen sie gebundene Zustände bildeten, so genannte Exzitonen. Photonen, deren Energie mit der Exzitonenenergie übereinstimmte, wurden besonders gut von der Schichtstruktur absorbiert.

Wie sich die optischen Eigenschaften der Schichtstruktur mit der angelegten elektrischen Spannung änderten, untersuchten die Forscher, indem sie monochromatisches Licht auf die Struktur einstrahlten, dessen Wellenlänge sie in einem Bereich von 1320 nm bis 1480 nm variieren konnten. Aus der Intensität des Lichtes, das die Schichtstruktur durchlaufen hatte, berechneten sie den Absorptionskoeffizienten. Die größte Änderung des Koeffizienten trat bei einer Wellenlänge von 1438 nm auf: Wurde die angelegte Spannung von 0 V auf 3 V erhöht, so änderte sich der Absorptionskoeffizient um 2800 cm ^-1. Dieses Ergebnis ist vergleichbar mit dem, das man für diese Wellenlänge mit den besten optischen Modulatoren aus III-V-Halbleitermaterial gemessen hat. Die Forscher wollen jetzt Quantengrabenstrukturen aus Germanium entwickeln, mit denen man Licht einer Wellenlänge von ca. 1550 nm modulieren kann, die für die Telekommunikation von Bedeutung ist. Wie Berechnungen zeigen, sollten Schaltzeiten von weniger als einer Picosekunde (10 ^-12 s) erreichbar sein.

Wieso hatten Kuo und seine Kollegen mit Germaniumschichten diesen Erfolg, wo bisher nur enttäuschende Ergebnisse erzielen worden waren? Die Forscher benutzten für ihren Modulator nicht den Übergang der Elektronen aus dem Valenzband ins unterste Leitungsband, der eine indirekte Bandlücke hat und deshalb allein von Photonen nicht angeregt werden kann. Vielmehr ließen sie die Elektronen vom Valenzband in ein höheres Leitungsband übergehen – und dieser Übergang hatte eine direkte Bandlücke. Für den neuen optischen Modulator spricht, dass er mit der Siliziumtechnologie verträglich ist und dass zu seiner Herstellung die die in Chip-Produktion gängigen Verfahren eingesetzt werden können. Das sind hervorragende Aussichten für die Optoelektronik!

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Yu-Hsuan Kuo et al.: Strong quantum-confined Stark effect in germanium quantum-well structures on silicon. Nature 437, 1334 (2005).
  http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature04204 
• Gruppe von James S. Harris in Stanford:
  http://snow.stanford.edu/ 
• Gruppe von David A. B. Miller in Stanford:
  http://www.stanford.edu/group/dabmgroup/ 
• Gruppe von Theodore I. Kamins bei den HP-Labs in Palo Alto:
  http://www.hpl.hp.com/research/qsr/

Weitere Literatur:

• Gareth Parry: Silicon’s new shine. Nature 437, 1244 (2005).
  http://www.nature.com/doifinder/10.1038/4371244a 
• Vincenzo Lordi et al.: Quantum-confined Stark effect of GaInNAs(Sb) quantum wells at 1300–1600 nm. Applied Physics Letters 85, 502 (2004).
  http://snow.stanford.edu/~hyuen/papers/2004-VLordiAPL85.pdf (frei!) 
• Ansheng Liu et al: A high-speed silicon optical modulator based on a metal–oxide–semiconductor capacitor. Nature 427, 615 (2004).
  http://www.nature.com/doifinder/10.1038/nature02310