Rotlicht aus Siliziumlaser

Physik Journal - Physik Journal - Speziell beschichtetes Silizium ermöglicht rotes Laserlicht.

Photonen statt Elektronen könnten in zukünftigen optoelektronischen Prozessoren die Verarbeitung und den Transport von digitalen Daten übernehmen. Es locken höhere Geschwindigkeiten, eine geringere Wärmeproduktion und gesteigerte Rechenleistungen. Aber man braucht dazu eine winzige Lichtquelle, die auf einem Chip integriert werden könnte. Der Halbleiter Silizium, auf den alle Produktionsprozesse der Chipbauer zugeschnitten sind, ist wegen seiner Bandstruktur bisher nur schwer zum aktiven Leuchten anzuregen. Amerikanischen Forschern der University of Cincinnati ist es nun zumindest gelungen, eine Galliumnitrid-Struktur stabil auf eine Silizium-Unterlage zu setzen und diese zur Aussendung von rotem Licht (620 Nanometer Wellenlänge) anzuregen.

Eine Europium-dotierte Gallium-Nitridschicht auf einem Silizium-Substrat ermöglicht rotes Laserlicht. (J. H. Park und A. Steckl, University of Cincinnati)

Die für die Chipbauer wichtige Kombination mit Silizium beruht auf einer wenige hundert Nanometer dünnen Schicht aus Aluminiumgalliumnitrid. Diese puffert die unterschiedlichen Ausdehnungen des Siliziums und des Galliumnitrid-Moduls bei steigenden Temperaturen ab, sodass die Verbindung mechanisch stabil bleibt. Der Schlüssel zur Aussendung von Rotlicht-Photonen liegt indes in einer Europium-Dotierung der Galliumnitrid-Schicht. Dieses Material konnte mit Hilfe der Molekularstrahl-Epitaxie fest auf das Silizium gesetzt werden.

Bislang lässt sich dieser filigrane Laser allerdings nur optisch anregen. Mit 600 Picosekunden kurzen Pulsen eines Ultraviolett-Stickstoff-Lasers (337,1 nm) gepumpt, antwortet das dotierte Galliumnitrid mit dem Abstrahlen von kohärentem Rotlicht. Auch andere Farben seien nach Aussage der Forscher mit Erbium (grün, Infrarot) oder Thulium (blau) anstelle des Europiums möglich. In weiteren Versuchen wollen die Wissenschaftler ihren Halbleiter-Laser auch mit elektrischer Anregung zum Leuchten verhelfen. Dieses wäre eine wichtige Voraussetzung, um diesen Laser in optoelektronischen Chips auf Siliziumbasis verwenden zu können.

Quelle: Physik Journal, Dezember 2005

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  J. H. Park und A. J. Steck, J. Appl. Phys. 98, 056108.