Licht aus dem Nanodraht

Siliziumchip mit integriertem Laser

11.02.16 | Redakteur: Hendrik Härter

Um den Laser in den Siliziumchip zu integrieren, müssen Wissenschaftler Halbleiter-Nanodrähte Schicht für Schicht aufbauen. Im Bild sind Benedikt Mayer und Lisa Janker an der Molekularstrahlepitaxie-Anlage im Walter Schottky Institut der TU München.
Um den Laser in den Siliziumchip zu integrieren, müssen Wissenschaftler Halbleiter-Nanodrähte Schicht für Schicht aufbauen. Im Bild sind Benedikt Mayer und Lisa Janker an der Molekularstrahlepitaxie-Anlage im Walter Schottky Institut der TU München. (Bild: Uli Benz / TUM)

Einen Nanolaser, der tausend Mal dünner ist als ein Haar, haben Physiker an der Technischen Universität München entwickelt. Dank des ausgetüftelten Verfahrens wachsen die Nanodraht-Laser direkt auf Silizium-Chips. Leistungsfähige photonische Bauelemente lassen sich auf diese Weise kostengünstig herstellen.

Seit Beginn des Computerzeitalters verdoppelt sich die Leistung von Prozessoren durchschnittlich alle 18 Monate. Schon vor 50 Jahren prognostizierte Intel-Mitbegründer Gordon E. Moore diese Zunahme der Rechnerleistung. Und das „Mooresche Gesetz“ scheint immer noch zu gelten.

Doch jetzt stößt die Miniaturisierung der Elektronik an physikalische Grenzen. „Schon heute sind Transistoren nur noch einige Nanometer groß. Reduziert man die Abmessungen noch weiter, steigen die Kosten massiv,“ sagt Professor Jonathan Finley, Leiter des Walter-Schottky-Instituts der TUM. „Eine Steigerung der Leistung ist nur realisierbar, wenn man Elektronen durch Photonen, also Lichtteilchen, ersetzt.“

Daten mit Licht zu übertragen überschreitet Grenzen der Elektronik

Die Datenübertragung und -verarbeitung mit Licht hat das Potenzial, die bisherigen Grenzen der Elektronik zu überschreiten. Tatsächlich gibt es bereits erste Photonik-Chips aus Silizium. Die Lichtquellen für die Informationsübertragung müssen jedoch durch komplizierte und aufwändige Fertigungsschritte mit dem Silizium verbunden werden. Weltweit suchen Forscher daher nach alternativen Methoden.

Der Durchbruch ist jetzt Forschern an der TU München gelungen: Dr. Gregor Koblmüller vom Lehrstuhl für Halbleiter Quanten-Nanosysteme hat zusammen mit Jonathan Finley ein Verfahren entwickelt, Nanodrahtlaser direkt auf Silizium-Chips abzuscheiden. Die Technologie wurde bereits zum Patent angemeldet.

Die Verbindung eines III-V Halbleiters mit Silizium erforderte einiges an Tüftelarbeit: „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“. Dem TUM-Team gelang es, dieses Problem zu umgehen: Die Nanodrähte stehen aufrecht auf dem Silizium, die Grundfläche beträgt dadurch nur noch einige Quadratnanometer. Defekte können die Wissenschaftler so weitestgehend vermeiden

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