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Photonik-Chips übertragen Daten per Lichtimpuls ohne Abwärme

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Elektronische Chips in Computern oder Rechenzentren erzeugen Abwärme. Deshalb arbeiten Forscher an Chips, die Daten per Lichtimpuls übertragen. Damit ließe sich die Geschwindigkeit um einen Faktor 1000 erhöhen.

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Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Sie ließen sich direkt in die gängigen Prozesse der Silizium-Halbleitertechnik integrieren.
Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Sie ließen sich direkt in die gängigen Prozesse der Silizium-Halbleitertechnik integrieren.
(Bild: Elham Fadaly / TU/e)

Eine Licht-emittierende Silizium-Germanium-Legierung haben ein Team aus Forschern der Technischen Universität Eindhoven und der Technischen Universität München entwickelt. Damit ließen sich Chips entwickeln, die Daten per Lichtpulse übertragen. Das hätte im Vergleich zu den herkömmlichen elektronischen Chips den Vorteil, dass bei der Photonik keine Abwärme entsteht.

Photonik-Chips: Die Erstautoren Elham Fadaly (links) und Alain Dijkstra (rechts) mit ihrem Aufbau zur Messung des emittierten Lichts.
Photonik-Chips: Die Erstautoren Elham Fadaly (links) und Alain Dijkstra (rechts) mit ihrem Aufbau zur Messung des emittierten Lichts.
(Bild: Sicco van Grieken, SURF / TU/e)

Seit 50 Jahren bemüht sich die Forschung daher, Laser aus Silizium oder Germanium zu bauen. Bisher vergeblich. 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. Mit der Legierung aus Germanium und Silizium lässt sich Licht emittieren.

Hexagonale Kristallgitter

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“, sagt Prof. Jonathan Finley, Professor für Halbleiter-Nanostrukturen und -Quantensysteme an der TU München.

Bereits im Jahr 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 Technischen Universität 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.

Schnelle optische Kommunikation

„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. „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.

„Darüber hinaus 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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