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Forschung
Hocheffizienter Laser für Siliziumchips
Für die Technik von morgen müssen große Datenmengen extrem schnell auf kleinstem Raum übermittelt werden. Die elektrische Übertragung stößt hier an ihre Grenzen. Licht gilt als Lösung der Zukunft. Das könnte künftig von einem neuen Laser erzeugt werden, der sich direkt in Siliziumchips integrieren lässt.
Daten lassen sich deutlich schneller mit Licht übermitteln als mit elektronischen Verfahren – und die optische Übertragung benötigt weniger Energie. Bei Strecken von über einem Meter Länge sind optische Leitungen wie Glasfaserkabel bereits Standard. Anders sieht es bei sehr kurzen Strecken aus, etwa von Mikrochip zu Mikrochip in einem Computer. Ein Problem ist die winzige Lichtquelle, die auf den Chips angebracht werden muss. Seit Langem sucht die Forschung hier nach Lösungen. Ein Ansatz: Ein Laser wird direkt in die Chips aus dem Standardmaterial Silizium eingefügt. Vielversprechend ist hierfür ein Halbleiterlaser aus einer Germanium-Zinn-Verbindung. Da Germanium und Silizium ähnliche Eigenschaften haben, lassen sich beide gut miteinander kombinieren – anders als Silizium und herkömmliche Halbleiterlaser wie etwa Galliumarsenid-Laser.
So schnell werden Daten übertragen
(Gigabit/Sekunde)
WLAN
9,7
Interne Computerschnittstelle
63
Glasfaserkabel
200.000
WLAN
9,7
Interne Computerschnittstelle
63
Glasfaserkabel
200.000
Germanium-Zinn-Laser
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Germanium-Zinn-Lasers (links). Die nur wenige Mikrometer breite Germanium-Zinn-Schicht wird auf eine sogenannte Stressorschicht aus Siliziumnitrid und einen Aluminiumsockel zur besseren Wärmeableitung aufgebracht, und anschließend mit Siliziumnitrid ummantelt (rechts). Durch die Orientierung der Germamium-Zinn-Verbindung an den weiteren Atomabständen im Kristallgitter des Silizium-Nitrids entsteht eine Verspannung im eingebetteten Material, die im Endeffekt eine optische Verstärkung bewirkt. Schon 2015 hat ein internationales Team um Dr. Dan Buca vom Peter Grünberg Institut (PGI-9) nachgewiesen, dass sich ein Laser aus Germanium und Zinn herstellen und bei der Produktion direkt in die Siliziumchips integrieren lässt. Nun haben die Jülicher mit französischen Partnern vom Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, dem Unternehmen STMicroelectronics und dem Institut CEA-Leti den Laser weiter optimiert.
Herstellung der Germanium-Zinn-Verbindung
Herstellung der hochkonzentrierten Germanium-Zinn-Verbindung (chemical vapour deposition, CVD): Germanium und Zinn werden in Form gasförmiger Verbindungen wie G2H6 oder SnCl4 eingebracht und in reaktionsfreudige Radikale zersetzt, die auf dem erhitzten Substrat stark exotherm unter Freisetzung von Salzsäure (HCl) reagieren. Die entstehende Reaktionswärme trägt lokal dazu bei, dass sich Germanium und Zinn in das Kristallgitter einlagern. Der Prozess läuft unterhalb der eigentlichen Kristallisationstemperatur ab. Läge die Temperatur darüber, würde das Zinn oberhalb des Sättigungspunkts wieder „ausgeschwitzt“. Bislang war das Problem, dass eine Laserquelle mit Germanium nur mit einer hohen Dosis Zinn funktioniert. Das verringert aber gleichzeitig die Effizienz. „Wir konnten nun die Zinnkonzentration reduzieren, indem wir das Material zusätzlich verspannten. Dadurch ist unser Laser rund 100-mal effizienter als andere Laser aus dieser Materialkombination. Die Effizienzwerte sind sogar mit denen von Galliumarsenid-Lasern vergleichbar“, berichtet Dan Buca. Der neue Laser kann außerdem einen kontinuierlichen Lichtstrahl erzeugen, nicht nur kurze Pulse – und er ist kostengünstig. „Mit den Verbesserungen des Lasers rücken potenzielle Anwendungen einen Schritt näher“, erklärt Institutsdirektor Prof. Detlev Grützmacher. Zum Beispiel für die künstliche Intelligenz (KI) beim autonomen Fahren: Hier liefern Sensoren innerhalb kürzester Zeit große Datenmengen, mit denen die KI trainiert wird. Die bereits patentierte Lasertechnologie könnte auch in Infrarot- und Nachtsicht-Systemen zum Einsatz kommen oder in Gassensoren für die Überwachung von Umwelt- und Atemgasen.
Momentan ist der neue Laser allerdings noch auf tiefe Temperaturen im Bereich von minus 200 bis minus 170 Grad Celsius beschränkt. Außerdem wird er derzeit mit Licht angeregt. Ideal wäre eine Anregung durch elektrische Signale – eine weitere große Herausforderung, um in Computern Daten mit Licht zu übertragen.
Christian Hohlfeld
So funktioniert ein Laser
In einem Laser (engl. light amplification by stimulated emission of radiation) wird dem Lasermedium durch einen Pump-Prozess Energie zugeführt. Das Pumpen kann optisch durch Einstrahlung von Licht oder elektrisch erfolgen, wobei die notwendige Pumpleistung je nach Laser stark variieren kann. Die angeregten Elektronen werden so auf ein höheres metastabiles Energieniveau „gepumpt“. Diese Zustände sollen möglichst lange anhalten, sodass eine „Besetzungsinversion“ aufgebaut werden kann, bei der sich eine Vielzahl der Atome oder Moleküle im angeregten Zustand befindet.Sobald einer der angeregten Zustände in seinen Grundzustand zurückfällt, wird ein Photon ausgesendet. Trifft dieses Photon auf andere angeregte Zustände, so werden diese ebenfalls dazu angestoßen, in ihren Grundzustand zurückzufallen und dabei ein zusätzliches Photon zu emittieren. Diesen Vorgang nennt man „stimulierte Emission“. Durch diese Verdoppelung des stimulierenden Photons wirkt das Lasermedium wie ein Lichtverstärker. Das „frisch entstandene“ zweite Photon regt dann seinerseits andere angeregte Atome oder Moleküle zur Ausstrahlung an. Es kommt zu einer Kettenreaktion, bei der sich eine stehende Welle zwischen den beiden Spiegeln an den Seiten des Lasermediums ausbildet, wobei auf der einen Seite, durch den halbdurchlässigen Spiegel, Laserstrahlung austritt.
Grafiken: Forschungszentrum Jülich / Tobias Schlößer