Panorama

Siliziumlasern das Leuchten beigebracht

22.12.2020 - Arbeit zu siliziumbasierten photonischen Chips als Durchbruch des Jahres gewürdigt.

Für die Entwicklung einer Licht-emittierenden Silizium­legierung wurden Forscher der TU Eindhoven und der Universität Jena zusammen mit Partnern der Universität Linz und der TU München vom Fachmagazin Physics World für den „Breakthrough of the Year“ ausgezeichnet. Das Team, dem Jens Renè Suckert und Silvana Botti von der Universität Jena angehören, hat in seiner im April 2020 vorgelegten Arbeit erstmals gezeigt, dass sich Silizium­legierungen eignen, Photonen in nennens­werter Größen­ordnung zu emittieren, und damit den Weg zu Silizium­lasern geebnet, die die optische Daten­verarbeitung revolutionieren könnten.

 

„Unsere Arbeit macht erstmals silizium­basierte photonische Computerchips möglich, die wesentlich schneller und energie­sparender arbeiten können als die bisherigen elektronischen Chips“, ordnet Silvana Botti die Bedeutung der Entwicklung ein. Solche Mikrochips, die mit Photonen anstatt Elektronen kommunizieren, brauchen einen integrierten Laser, der die Datensignale direkt auf dem Chip produziert. Das Halbleiter­material Silizium galt bislang jedoch als äußert schwacher Lichtemitter. Ursache dafür sind die Symmetrie­eigenschaften seiner elektronischen Energie­zustände. Um Photonen zu emittieren, müssen Elektronen im Halbleiter aus einem angeregten Zustand im Leitungsband in einen energie­ärmeren Zustand im Valenzband springen. „Im Silizium­kristall sind diese beiden Bänder jedoch so gegeneinander versetzt, dass der Elektronen­übergang nur schwer möglich ist“, erläutert Jens Renè Suckert, der einer der Erstautoren der ausgezeichneten Arbeit ist. Diese indirekte Bandlücke verhinderte daher bislang eine effiziente Photonen­freisetzung aus Silizium.

Um dieses Problem zu umgehen, hat das Team eine fünfzig Jahre alte Theorie aufgegriffen und die Kristallstruktur des Siliziums so modifiziert, dass die indirekte Bandlücke aufgehoben wird. Den Forschern ist es erstmals gelungen, Silizium mit dem Metall Germanium in einer Legierung statt in seiner kubischen in eine hexagonale Kristall­struktur wachsen zu lassen, wodurch der Übergang zwischen Leitungs- und Valenzband erleichtert wird. In dieser Kristall­struktur emittiert Silizium effektiv Licht.

Für die Arbeit, die im Rahmen des EU-Projekts SiLAS durchgeführt wurde, haben die Jenaer Physiker die Berechnungen der elektronischen Eigenschaften der untersuchten Silizium-Germanium-Nanodrähte geliefert. „Fundierte Berechnungen sind entscheidend, um zu belegen, dass die Licht­emission tatsächlich aus dem direkten Bandübergang der Legierung stammt und um etwaige andere Quellen auszuschließen“, macht Silvana Botti deutlich. Die Berechnungen des Jenaer Teams waren dabei so präzise, dass sie auch Vorhersagen darüber erlaubten, bei welchem Germanium­anteil die Licht­emission wie effizient ist und in welcher Farbe das Licht emittiert wird.

„Die Auszeichnung als wichtigster Durchbruch in der Physik-Forschung des Jahres ist eine tolle Bestätigung dafür, wie aus der Kombination von theoretischer und experimenteller Forschung wichtige Innovationen entstehen können“, freut sich Silvana Botti. Wie die vorliegende Arbeit zeige, profitiere die Experimentalphysik von den Berechnungen, die die theoretische Physik liefert. „Zusammen können Theorie und Experiment zu echten Durchbrüchen führen“, so Botti weiter. Die Professorin für theoretische Festkörperphysik hofft zudem, dass die Auszeichnung auch Studenten überzeugt und vielleicht den einen oder die andere motiviert, sich für eine Master- oder Doktorarbeit in der Physik-Forschung der Universität Jena zu bewerben.

FSU / DE

 

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