Mit integriertem Licht zu den Computern der Zukunft
Neuartiges Ätzverfahren könnte wichtiger Durchbruch für das Vereinen von Lichtquellen und Lichtleitern sein.
Während Computerchips Jahr für Jahr kleiner und schneller werden, bleibt bisher eine Herausforderung ungelöst: Das Zusammenbringen von Elektronik und Photonik auf einem einzigen Chip. Zwar gibt es Bauteile wie MikroLEDs als Einzelchips und Wellenleiter als winzige Glasfaserkabel, aber die benötigten Materialien sind zu unterschiedlich für einen harmonierenden Chip. Ein neuartiges Ätzverfahren könnte jetzt den entscheidenden Durchbruch für das Vereinen von Lichtquellen und Lichtleitern sein. Im Projekt OptoGaN arbeiten Forscher der TU Braunschweig und der Uni Jena deshalb an porösem Galliumnitrid.
Die gemeinsame Idee der beteiligten Forschungsgruppen bietet vielfache Anwendungsmöglichkeiten. Drei dieser Ideen wollen die Projektpartner gemeinsam mit je einem Startup als Demonstratoren realisieren. Diese kommen dann Technologien wie Wellenleitern, neuromorphen Computern und dem Ionenfallen-Quantencomputer des Quantum Valley Lower Saxony zugute. Zugleich unterstützt das neu gegründete Nitride Technology Center an der TU Braunschweig die Forscher dabei, die Nitrid-Technologie auf höchstem Niveau weiterzuentwickeln und in die Anwendung zu bringen.
Doch wie kann das Einsatzgebiet dieser neuen Technologie aussehen? Um etwa die Ionen des Quantencomputers zu manipulieren, braucht es aktuell noch große Lasersysteme. Wenn nun immer mehr Quantenbits im Computer zusammen rechnen sollen, muss dieses Lasersystem deutlich kleiner werden – bestenfalls auf Chipgröße. Das Standardmaterial Siliziumdioxid für Wellenleiter auf Chips absorbiert allerdings genau die kritischen Lichtwellenlängen. Hier könnte das poröse Galliumnitrid eine Alternative anbieten und das maßgeschneiderte Licht verlustarm ans einzelne Ion bringen.
Hinter dem porösen Halbleiter steht ein neues selektives Ätzverfahren. Die Forscher bringen damit langgezogene, luftgefüllte Kanäle – Poren – in die Galliumnitrid-Strukturen. Sogar dreidimensionale Wellenleiter mit komplexer optische Lichtführung werden so denkbar. Da Galliumnitrid und der Prozess mit den bisherigen Verfahren aus der LED-Herstellung kompatibel ist, werden so auch integrierte elektronische und photonische Schaltkreise möglich werden.
Um die innovativen Halbleiterkanäle zur Lichtleitung realisieren zu können, bringen die Forscher komplementäre Expertisen und Spezialgeräte zusammen. Denn das hier angewandte Ätzverfahren hat sowohl eine elektronische als auch eine chemische Komponente. Zunächst stellen die Forscher der TU Braunschweig das Grundmaterial Schicht für Schicht her. Anschließend reist der Halbleiterchip an die Uni Jena zur Ionenimplantation. Dort dotieren die Forscher den Chip und verändern gezielt seine elektronischen Eigenschaften. Zuletzt muss der Chip dann zurück an die TU Braunschweig, wo der chemische Ätzprozess die endgültige, poröse Struktur formt.
Das Vorhaben „Hoch-integrierte mikrophotonische Module in Nitrid-Technologien“, kurz OptoGaN, wird vom Bundesforschungsministerium mit etwa 600.000 Euro gefördert. Die Partner der TU Braunschweig und der Uni Jena starteten mit OptoGaN im Jahr 2023 für drei Jahre bis Oktober 2026.
TU Braunschweig / RK
