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Forscher bringen Silizium zum Leuchten

Meilenstein auf dem Weg zu echten Photonik-Chips

Silizium-Germanium-Legierung
Mithilfe von Nanodrähten bringen Forscher eine Siliziumlegierung in eine hexagonale Struktur – und machen den Halbleiter so zum Lichtemitter. © Elham Fadaly / TU Eindhoven

Durchbruch in der Photonik: Forschern ist es gelungen, das wichtige Halbleitermaterial Silizium zum Leuchten zu bringen. Dies ist ein entscheidender Schritt zu rein photonischen Computerchips, bei denen das Silizium selbst die Lichtpulse erzeugt, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten. Möglich wird dies durch eine spezielle Silizium-Germanium-Legierung. Noch in diesem Jahr könnte ein erster Siliziumlaser fertig werden.

Die schnelle Datenübertragung mit Licht ist dank Glasfaserkabeln längst Alltag. Und auch Mikrochips könnten mit Licht statt Elektronen viel schneller und effizienter arbeiten – und auf eine aufwändige Kühlung verzichten. Doch solche photonischen Chips benötigen eine integrierte Lichtquelle – einen Laser, der die Datensignale auf dem Chip produziert und durch die Wellenleiter schickt.

Warum Silizium so „lichtfaul“ ist

Das Problem jedoch: Ausgerechnet das allgegenwärtige Halbleitermaterial Silizium ist kein guter Lichtemitter. „Der Grund ist die sogenannte Bandlücke“, erklärt Erik Bakkers von der Technischen Universität Eindhoven. Wenn ein Elektron in einem angeregten Halbleiter von einem höheren Energiezustand, dem sogenannten Leitungsband, in das energetisch niedrigere Valenzband wechselt, setzt es ein Photon frei – und es entsteht Licht.

Doch beim Silizium mit seiner normalerweise kubischen Kristallstruktur das Leitungs- und Valenzband so gegeneinander versetzt, dass dieser Sprung gestört wird und der Halbleiter daher kaum Licht aussenden kann. Um dieses Problem zu umgehen, haben Forscher zwar schon Minilaser aus anderen Halbleitern wie Indiumarsenid und Galliumarsenid in Chips integriert oder photonisch-elektronische Hybrid-Chips entwickelt. Ein rein photonischer Siliziumchip aber – der Heilige Gral der Mikroelektronik – schien bislang unerreichbar.

In eine hexagonale Kristallstruktur „gezwungen“

Jetzt aber könnten Bakkers und sein Team diesen „Gral“ gefunden haben. Grundlage für ihren Durchbruch bildet die Idee, das Kristallgitter des Siliziums zu modifizieren. „Eine 50 Jahre alte Theorie postuliert, dass Silizium bei Legierung mit Germanium eine hexagonale Struktur einnimmt, die eine direkte Bandlücke besitzt“, erklärt Bakkers. „Dann könnte Silizium Licht emittieren.“

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Metal Organic Vapor Phase Epitaxy
In dieser Anlage werden die Nanodrähte mit der Silizium-Germanium-Legierung erzeugt. © Nando Harmsen/ TU EIndhoven

In einem ersten Schritt gelang es Bakkers und seinem Team schon 2015, hexagonales Silizium zu erzeugen. Dafür züchteten sie zunächst sechseckige Nanodrähte aus einem anderen Material, die sie dann mit einer Schicht aus Germanium und Silizium überzogen. Dies zwang diese Siliziumlegierung, eine hexagonale Kristallstruktur anzunehmen. Doch auch dieser Strukturen ließen sich zunächst nicht zum Leuchten anregen.

Erster Siliziumlaser noch in diesem Jahr

Das hat sich nun geändert. Denn die Forscher haben das Verfahren nun so optimiert, dass die resultierende Siliziumlegierung weniger Kristalldefekte und Unreinheiten aufweist – und zum effektiven Lichtemitter wird. „Inzwischen haben wir optische Eigenschaften erzielt, die fast mit Indiumphosphid oder Galliumarsenid vergleichbar sind“, sagt Bakkers. Experimente und Vergleiche mit theoretischen Werten bestätigten, dass ihre Siliziumlegierung nun tatsächlich eine direkte Bandlücke besitzt.

Das aber bedeutet, dass ein Siliziumchip mit einem integrierten Siliziumlaser in greifbare Nähe rückt. „Das ist nur noch eine Frage der Zeit“, so Bakkers. „Wenn alles glatt läuft, können wir noch in diesem Jahr einen siliziumbasierten Laser konstruieren.“ Dies würde es möglich machen, diese Lichtemitter in herkömmliche Mikrochips zu integrieren und so echte photonische Chips aus Silizium herzustellen.

„Eine zweite Revolution in der Siliziumtechnologie“

Der „heilige Gral“ der Mikroelektronik könnte damit endlich gefunden sein. Als echten Durchbruch sieht dies auch Anna Fontcuberta i Morral von der Polytechnischen Hochschule Lausanne: „Die Entwicklung von siliziumbasierten Legierungen, die optoelektronische Funktionalität besitzen, könnte eine zweite Revolution in der Siliziumtechnologie anstoßen“, schreibt sie in einem begleitenden Kommentar in „Nature“.

„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 1.000 erhöhen“, erklärt Koautor Jonathan Finley von der Technischen Universität München. Das würde neuartige Chips ermöglichen, die beispielsweise als laserbasiertes Radar für selbstfahrende Autos, für chemische Sensoren zur medizinischen Diagnose oder zur Messung der Luft- und Lebensmittelqualität eingesetzt werden könnten – und dies weit günstiger als bisher. (Nature, 2020; doi: 10.1038/s41586-020-2150-y)

Quelle: Eindhoven University of Technology, Technische Universität München

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