Nano-LEDs strahlen hell wie nie

Die Datenübertragung im Inneren von Mikrochips entwickelt sich immer mehr zum Flaschenhals in der Weiter­entwicklung von Computer- und Kommunikations­systemen. Während über große Distanzen optische Übertragungs­methoden längst Standard sind, laufen die Signale im Inneren der Chips nach wie vor elektrisch über Kupfer­leitungen. Das limitiert nicht nur die Geschwindigkeit, es führt auch zu beträchtlichen Energie­verlusten. Forscher der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden lassen nun mit einem neuen Ansatz aufhorchen. Ihnen ist es gelungen, eine Nano-LED auf einem Silizium­substrat herzustellen und das erzeugte Licht effizient in einen ebenfalls integrierten Lichtleiter einzukoppeln. Das neue System weist eine tausendmal höhere Quanteneffizienz auf als bisherige LED-Ansätze und sollte Übertragungs­raten von mehreren Gigabits pro Sekunde ermöglichen.

Es sind mehrere Kilometer an feinen Kupferdrähten, die im Inneren eines herkömmlichen Computer­chips für die Übertragung der Daten sorgen. Sie machen den Großteil des gesamten Energie­verbrauchs aus. Die Schwierigkeit, diese Leitungen durch optische Systeme zu ersetzten, ist vor allem im Material der Chips selbst begründet: Silizium ist als indirekter Halb­leiter nicht zur Herstellung effizienter Licht­quellen geeignet. Weltweit suchen Forscher daher intensiv nach alternativen Konzepten. Vor allem Laser werden – in verschiedensten Formen und Ausführungen – immer wieder ins Spiel gebracht. Meist sind sie aber schlicht zu groß oder weisen eine zu hohe Schwelle auf. „Ein großer Vorteil von LED-Lichtquellen ist, dass sie im Gegensatz zu Lasern keinen Schwellen­strom benötigen, ab dem sie anfangen, Licht zu emittieren”, erklärt Bruno Romeira, einer der Autoren der aktuellen Studie. „Somit können wir den Energie­verbrauch signifikant verringern.”

Wie die Forscher selbst eingestehen, hat dieser Vorteil aber auch seinen Preis: Die Implementierung ihrer Nano-LEDs ist sehr aufwändig und wohl noch weit von einer kommerziellen Anwendung entfernt. Ausgangs­material ist ein System aus acht Schichten, das in mehreren Schritten geätzt und bedampft wird. Die Diode selbst hat die Form einer Säule mit einer Grundfläche von etwa 325 x 325 Quadrat­nanometern und einer Höhe von etwa 1,5 Mikrometern. Ihre aktive Zone besteht aus InGaAs. Die gesamte Säule wird nach dem Ätzen zunächst mit einer Silizium­oxid­schicht bedeckt und dann mit Silber bedampft, um einen optischen Resonator für eine 1,55 Mikro­meter-Mode zu bilden. Es folgen mehrere Schritte zum Kontaktieren sowie das Auf­sputtern einer Gold­schicht zum Schutz vor Korrosion. Die Einkopplung in den unterhalb der Nano­säule verlaufenden, 450 Nanometer breiten InP-Lichtleiter erfolgt über das evaneszente Feld der Resonator­mode.

Um die Intensität der in den Lichtleiter eingekoppelten Strahlung messen zu können, haben die Forscher am Ende des Leiters ein Auskopplungs­gitter angebracht. Den Forschern zufolge ist die gemessene Quanten­effizienz, also das Verhältnis zwischen der Anzahl der ein­gekoppelten Photonen und der Anzahl der injizierten Elektronen, tausendmal höher als bei vergleichbaren Vorgänger­modellen. Da die Schaltzeit der Diode weniger als eine Nano­sekunde beträgt, sollten mit dem neuen System theoretisch Übertragungs­raten von über einem Gigabit pro Sekunde möglich sein. Tatsächlich zeigen Messungen, dass die Diode selbst elektrische Anregungen mit Frequenzen von bis zu fünf Gigahertz noch repliziert.

Thomas Brandstetter