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Photonische Chips Bessere Computerchips durch leuchtendes Silizium?

| Autor / Redakteur: Dr. Andreas Battenberg* / Christian Lüttmann

Notebooks und Smartphones erwärmen sich bei hoher Leistung. Das erfordert Kühltechnik und schmälert insgesamt die Performance des Gerätes. Forscher versuchen deshalb seit Jahrzehnten, Datenübertragung auf den Siliziumchips über optische statt elektrische Signale zu ermöglichen, weil dabei keine Abwärme entstehen würde. Nun ist ein wichtiger Schritt dazu gelungen.

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Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Sie könnten direkt in die gängigen Prozesse der Silizium-Halbleitertechnologie integriert werden.
Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Sie könnten direkt in die gängigen Prozesse der Silizium-Halbleitertechnologie integriert werden.
(Bild: Elham Fadaly / TU Eindhoven)

Garching – Elektronische Chips heizen sich auf, wenn Daten übertragen werden: Der Laptop auf den Knien wird warm; Rechenzentren benötigen Kühlaggregate mit Megawatt-Leistung. Abhilfe schaffen könnte die Photonik, denn Lichtpulse erzeugen keine Abwärme.

Seit 50 Jahren bemüht sich die Forschung daher, Laser aus Silizium oder Germanium zu bauen, um damit photonische Computerchips zu ermöglichen. Bisher vergeblich. Der Grund liegt in der Kristallstruktur von Silizium, dem „Arbeitspferd“ der Chip-Industrie. Es kristallisiert normalerweise in einem kubischen Gitter, welches für die Umwandlung von Elektronen in Licht nicht geeignet ist.

Das Gitter, das Leuchten ermöglicht

Zusammen mit Kollegen der Technischen Universität München (TUM) sowie der Universitäten in Jena und Linz ist es Forschern der Technischen Universität Eindhoven nun 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“, erklärt Prof. Jonathan Finley, von der TU München den Unterschied zu kubisch kristallinem Silizium.

Aufgezwungene Struktur

Schon 2015 gelang es Prof. 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 am Walter-Schottky-Institut der TUM, 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.

Bis zu 1000-fach schnellere Chips denkbar

Mit silizimbasierten Lasern ließe sich die Leistung von Computerchips erheblich verbessern, wie TUM-Forscher Finley schildert: „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.“ Dies käme diversen Anwendungen zugute. „Durch die direkte Kopplung von Optik und Elektronik könnten Chips für laserbasiertes Radar für selbstfahrende Autos, für chemische Sensoren zur medizinischen Diagnose oder zur Messung der Luft- und Lebensmittelqualität dramatisch günstiger werden.“

Originalpublikation: E. M. T. Fadaly, A. Dijkstra, J. R. Suckert, D. Ziss, M. A. J. v. Tilburg, C. Mao, Y. Ren, V. T. v. Lange, S. Kölling, M. A. Verheijen, D. Busse, C. Rödl, J. Furthmüller, F. Bechstedt, J. Stangl, J. J. Finley, S. Botti, J. E. M. Haverkort, E. P. A. M. Bakkers: Direct Bandgap Emission from Hexagonal Ge and SiGe Alloys, Nature volume 580, pages 205–209, 8. April 2020; DOI: 10.1038/s41586-020-2150-y

* Dr. A. Battenberg, Technische Universität München, 85748 Garching b. München

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