Nanolaser: Neues Verfahren macht Photonik-Chips günstiger

Während die Weiterentwicklung elektronischer Halbleiterchips vor allem aus wirtschaftlicher Sicht an ihre Grenzen stößt, gelten optische Verbindungen innerhalb der Chips als eine potentielle Alternative. Forscher aus München haben einen Weg gefunden, winzige „Nanodraht-Laser“ in Silizium-Chips zu integrieren.

Der Durchbruch im Bereich der Photonik gelang Physikern der Technischen Universität München (TUM). Der technologische Meilenstein beruht dabei nicht in der Fertigung eines Photonik-Chips aus Silizium – diese gibt es bereits – sondern vielmehr in der Art und Weise der Herstellung.

Photonik als Königsweg zur Miniaturisierung

Laut der Mitteilung der TUM, in der die Photonik als „Königsweg zur Miniaturisierung“ beschrieben wird, gestaltete sich die Fertigung solcher Chips bisher sehr kompliziert, da die Verbindung des Siliziums mit den Lichtquellen zur Informationsübertragung aufwändige Fertigungsschritte bedeute. Die Forscher Dr. Gregor Koblmüller und Prof. Dr. Jonathan J. Finley haben ein alternatives Verfahren entwickelt, um „Nanodrahtlaser direkt auf Silizium-Chips abzuscheiden“. Das Verfahren wird gegenüber bisherigen Methoden als „kostengünstig“ und als Grundvoraussetzung „für die künftige, schnelle und effiziente Datenverarbeitung mit Licht“ beschrieben.

Dabei galt es, eine bekannte Problematik bei der Verbindung eines III-V-Halbleiters mit Silizium zu umgehen: „Die beiden Materialien haben unterschiedliche Gitterabstände und unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Das führt zu Spannungen “, erläutert Koblmüller. „Dampft man zum Beispiel Galliumarsenid flächig auf Silizium auf, treten Defekte auf“. Galliumarsenid ist der Werkstoff, aus dem die Nanodrähte gezüchtet werden.

Die Lösung in der Senkrechten gefunden

Die Lösung besteht darin, die Nanodrähte senkrecht zum Silizium wachsen zu lassen, wodurch deren Grundfläche nur noch „einige Quadratnanometer“ betrage und Defekte „weitestgehend“ vermieden werden könnten.

Damit die Nanodrähte zum Laser werden, müssen die Lichtteilchen (Photonen) an beiden Enden des Drahts reflektiert werden. Dadurch werde der Lichtpuls verstärkt, „bis er die gewünschte Leistung erreicht hat“. Zur Reflexion der Photonen wird eine zusätzliche Schicht aus Siliziumoxid aufgedampft, die als Spiegel fungiert und eine Dicke von 200 Nanometern besitzt. In die Spiegelschicht werden Löcher geätzt, in denen die Nanodrähte in weiteren Fertigungsschritten Schicht für Schicht aufgebaut werden – diese Form des Kristallwachstums nennt sich Epitaxie und ist ein gängiges Verfahren in der Halbleitertechnik.

Nanodraht-Laser brauchen noch Anregung von außen

Zunächst würden allerdings noch externe Laser benötigt, um die Nanodrahtlaser zur Produktion von Infrarotlicht anzuregen. Das nächste Ziel sei daher, „eine Schnittstelle zum Strom zu schaffen, damit wir die Nanodrähte elektrisch betreiben können und keine externen Laser mehr benötigen“, so Dr. Koblmüller. In verschiedenen, nicht frei zugänglichen Publikationen, wird das Herstellungsverfahren der Nanodraht-Laser im Detail beschrieben.

Photonen sollen Elektronen langfristig ersetzen

Professor Finley fasste den Forschungsdurchbruch als „wichtige Voraussetzung für die Entwicklung hochleistungsfähiger optische [sic] Komponenten für zukünftige Computer“ zusammen und erklärte: „Wir konnten zeigen, dass eine Fertigung von Siliziumchips mit integrierten Nanodraht-Lasern möglich ist“. Der Forscher ist sich sicher, dass eine Leistungssteigerung bei Halbleiter-Chips in der Zukunft nur noch realisierbar ist, „wenn man Elektronen durch Photonen, also Lichtteilchen, ersetzt“.

Tatsächlich sieht sich die Halbleiterbranche immer größeren Herausforderungen gegenüber, um die Chips leistungsfähiger und effizienter zu machen. Die weitere Verkleinerung der Fertigungsstrukturen gestaltet sich immer komplizierter und bedeutet immer höhere Investitionen in Produktionsanlagen. Daher hat die Forschung an Alternativen wie dieser einen großen Stellenwert für die Halbleiterbranche. Das Forschungsprojekt der TUM wurde unter anderem auch von IBM gefördert.