Durchbruch für Photonik-Chips

Elektronische Chips heizen sich auf, wenn Daten über­tragen werden. Abhilfe schaffen könnte die Photonik, denn Licht­pulse erzeugen keine Abwärme. Seit fünfzig Jahren bemüht sich die Forschung daher, Laser aus Silizium oder Germanium zu bauen. Bisher vergeblich. Silizium, das Arbeits­pferd der Chip-Industrie, kristal­li­siert normaler­weise in einem kubischen Kristall­gitter. In dieser Form ist es für die Umwand­lung von Elektronen in Licht nicht geeignet.

Zusammen mit Kollegen der TU München sowie der Unis in Jena und Linz ist es Forschern der TU Eindhoven in den Nieder­landen jetzt gelungen, Legierungen aus Germanium und Silizium zu entwickeln, die Licht emittieren können. Entscheidend dafür war es, Germanium und Legierungen aus Germanium und Silizium mit hexa­gonalem Kristall­gitter zu erzeugen. „Dieses Material hat eine direkte Band­lücke und kann daher selbst Licht erzeugen“, sagt Jonathan Finley von der TU München.

Schon 2015 gelang es Erik Bakkers und seinem Team an der TU Eindhoven, hexa­gonales Silizium zu erzeugen. Dafür züchteten sie zunächst Nano­drähte aus einem anderen Material mit einer hexa­gonalen Kristall­struktur und über­zogen diese mit einer Schicht aus Germanium und Silizium. Das darunter liegende Material zwang dabei auch der Germanium-Silizium-Legierung eine hexa­gonale Struktur auf.

Doch die Strukturen ließen sich zunächst nicht zum Leuchten anregen. Im Austausch mit den Kollegen von der TU München, die während der Optimierung Generation für Generation die optischen Eigenschaften analy­sierten, gelang es schließlich das Herstellungs­verfahren so zu verbessern, dass die Nano­drähte schließlich tatsächlich Licht ausstrahlen konnten.

„Inzwischen haben wir optische Eigen­schaften erzielt, die fast mit Indium­phosphid oder Gallium­arsenid vergleichbar sind“, sagt Bakkers. Einen Laser aus Germanium-Silizium-Legierungen zu bauen, der noch dazu in die gängigen Herstellungs­prozesse integriert werden kann, erscheint damit nur noch eine Frage der Zeit.

„Wenn wir die elektronische Kommuni­kation auf einem Chip und von Chip zu Chip optisch erledigen können, so kann das die Geschwin­digkeit um einen Faktor von bis zu 1000 erhöhen, sagt Finley. „Darüber hinaus könnten durch die direkte Kopplung von Optik und Elektronik Chips für laser­basiertes Radar für selbst­fahrende Autos, für chemische Sensoren zur medizi­nischen Diagnose oder zur Messung der Luft- und Lebens­mittel­qualität dramatisch günstiger werden.“

TUM / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  E. M. T. Fadaly et al.: Direct Bandgap Emission from Hexagonal Ge and SiGe Alloys, Nature 580, 205 (2020); DOI: 10.1038/s41586-020-2150-y
• Advanced Nanomaterials & Devices, Center for Quantum Materials and Technology Eindhoven, Department of Applied Physics, Eindhoven University of Technology, Niederlande
• Semiconductor Nanostructures and Quantum Systems (J. J. Finley), Walter-Schottky-Institut, Physik-Department, Technische Universität München