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21-04-2020 | Materialentwicklung | Im Fokus | Article

Siliziumlaser rückt in greifbare Nähe

Author:
Dieter Beste
3:30 min reading time

Ist das der Durchbruch für Photonik-Chips? Einem internationalen Forscherteam gelang es, Legierungen aus Germanium und Silizium zu entwickeln, die Licht emittieren können.

Schon unmittelbar nach der Demonstration von Rubin- (1960) und Helium-Neon-Laser (1962) wurde auch die Lasertätigkeit von Dioden beziehungsweise Halbleiterlasern vorhergesagt und wenig später im Experiment realisiert. Galliumarsenid (GaAs) war das erste bedeutende Material zur Herstellung von Laserdioden – nicht Silizium (Si), "das ansonsten die Halbleitertechnologie dominiert", berichtet Springer-Autor Dieter Meschede 2005 in "Optik, Licht und Laser". Allerdings habe es dann noch mehr als 20 Jahre gedauert, bis diese Komponenten zu kommerziell erfolgreichen Produkten geworden seien, denn es galt eine Vielzahl technologischer Probleme zu überwinden: "So konnten zum Beispiel die ersten Laserdioden nur bei sehr tiefen Temperaturen betrieben werden."

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Für Halbleiter-Laser in der Optoelektronik ist die Energielücke an der Bandkante die wichtigste physikalische Größe, führt Meschede 2005 weiter aus, "denn sie bestimmt die Wellenlänge der Rekombinationsstrahlung." In einer Grafik zeigt er die Bandlücke wichtiger Halbleitermaterialien. Jene Materialien, mit denen vor 15 Jahren schon Lasertätigkeit realisiert worden ist, hat er mit einem Kreuz gekennzeichnet. Zum Erscheinungsdatum des Buches fiel das Urteil eindeutig aus: "Silizium, das ökonomisch bedeutendste Halbleitermaterial spielt für die Erzeugung von Licht keine Rolle, weil es keine direkte, sondern nur eine indirekte Bandlücke besitzt" (Seite 339).

Hans Joachim Eichler und Jürgen Eichler berichten in "Laser", dass von Mitarbeitern der Firma Intel in Kalifornien 2004 ein Silizium-Raman-Laser auf Wellenleiterbasis demonstriert wurde, der auch oft verkürzt als Siliziumlaser bezeichnet wird. Auch hier fällt das Urteil der Springer-Autoren eindeutig aus: "Dieser (Laser) wird jedoch mit einem III–V-Diodenlaser bei z.B. 1550 nm optisch gepumpt und stellt keinen elektrisch angeregten Silizium-Diodenlaser dar" (Seite 353).

Licht emittierende Silizium-Germanium-Legierungen

Der Grund dafür liegt im Materialaufbau. Silizium, das Arbeitspferd der Chip-Industrie, kristallisiert normalerweise in einem kubischen Kristallgitter. In dieser Form ist es für die Umwandlung von Elektronen in Licht nicht geeignet. Forschern der Technischen Universität Eindhoven, Technischen Universität München sowie der Universitäten in Jena und Linz ist es jetzt dennoch gelungen, Legierungen aus Germanium und Silizium zu entwickeln, die Licht emittieren können. Entscheidend für den Erfolg war es, Germanium und Legierungen aus Germanium und Silizium mit hexagonalem Kristallgitter zu erzeugen, wie die Forscher in "Nature" berichten. "Dieses Material hat eine direkte Bandlücke und kann daher selbst Licht erzeugen", erläutert Jonathan Finley, Professor für Halbleiter-Nanostrukturen und -Quantensysteme an der TU München.

Der Template-Trick

Schon 2015 hatte es Erik Bakkers mit seinem Team an der TU Eindhoven geschafft, hexagonales Silizium zu erzeugen. Dafür züchteten die Wissenschaftler zunächst Nanodrähte aus einem anderen Material mit einer hexagonalen Kristallstruktur und verwendeten es als Template, um es mit einer Schicht aus Germanium und Silizium zu überziehen. Das jetzt 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 TU München, 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.

Direkte Kopplung von Optik und Elektronik auf Chips

"Inzwischen haben wir optische Eigenschaften erzielt, die fast mit Indiumphosphid oder Galliumarsenid vergleichbar sind", sagt Erik Bakkers. Einen Laser aus Germanium-Silizium-Legierungen zu bauen, der noch dazu in die gängigen Herstellungsprozesse integriert werden könne, scheine nur noch eine Frage der Zeit zu sein. "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, sagt Jonathan Finley. Und darüber hinaus, spekulieren die Forscher, könnten durch die direkte Kopplung von Optik und Elektronik Chips für laserbasiertes Radar für selbstfahrende Autos, für chemische Sensoren zur medizinischen Diagnose oder zur Messung der Luft- und Lebensmittelqualität dramatisch günstiger werden.
 

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Background information for this content

2005 | OriginalPaper | Chapter

Halbleiter-Laser

Source:
Optik, Licht und Laser

2015 | OriginalPaper | Chapter

Frequenzumsetzung

Source:
Laser

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