Nanodrähte aus Gallium-Arsenid auf einer Silizium-Oberfläche. Die Nanodraht-Laser emittieren infrarotes Licht mit einer fest vorgegebenen Wellenlänge und unter gepulster Anregung.

Nanodrähte aus Gallium-Arsenid auf einer Silizium-Oberfläche. Die Nanodraht-Laser emittieren infrarotes Licht mit einer fest vorgegebenen Wellenlänge und unter gepulster Anregung. Thomas Stettner, Philipp Zimmermann / TUM

Mit diesem Verfahren ist eine Grundvoraussetzung geschaffen für die künftige, schnelle und effiziente Datenverarbeitung mit Licht. Die seit 50 Jahren stetig weitergehende Miniaturisierung der Elektronik ist an physikalische Grenzen gestoßen. „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.“

Photonik – der Königsweg zur Miniaturisierung

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.

Atom für Atom zum Nanodraht

Doch wie wird ein Nanodraht zum Laser? Um kohärentes Licht zu erzeugen, müssen die Photonen am oberen und unteren Ende des Drahts reflektiert werden, wodurch sich der Lichtpuls verstärkt, bis er die gewünschte Leistung erreicht hat. Um diese Bedingungen zu erfüllen, mussten die Forscher tief in die physikalische Trickkiste greifen: „Die Grenze zwischen Galliumarsenid und Silizium reflektiert nicht genügend Licht. Wir haben daher einen Extra-Spiegel eingebaut – eine 200 Nanometer dünne Siliziumoxid-Schicht, die auf das Silizium aufgedampft wird“, erklärt Benedikt Mayer, Doktorand im Team von Koblmüller und Finley. „In die Spiegelschicht lassen sich dann feine Löcher ätzen, und in denen kann man mittels Epitaxie Atom für Atom, Schicht für Schicht Halbleiter-Nanodrähte züchten.“

Erst wenn die Drähte über die Spiegelfläche herausragen, dürfen sie in die Breite wachsen – solange bis der Halbleiter dick genug ist, damit Photonen in ihm hin und her flitzen und die Aussendung weiter Lichtteilchen anregen können. „Dieser Prozess ist sehr elegant, weil wir die Nanodraht-Laser so direkt auf die Wellenleiter im Silizium Chip positionieren können“, so Koblmüller.

Grundlagenforschung auf dem Weg in die Anwendung

Derzeit produzieren die neuen Galliumarsenid Nanodraht-Laser infrarotes Licht mit einer fest vorgegebenen Wellenlänge und unter gepulster Anregung. „In Zukunft wollen wir die Emissionswellenlänge sowie weitere Laserparameter gezielt verändern, um die Lichtausbreitung unter kontinuierlicher Anregung im Silizium-Chip und die Temperaturstabilität noch besser steuern zu können“, ergänzt Finley.

Erste Erfolge hat das Team soeben veröffentlicht. Und das nächste Ziel steht bereits fest: „Wir wollen eine Schnittstelle zum Strom zu schaffen, damit wir die Nanodrähte elektrisch betreiben können und keine externen Laser mehr benötigen“, erläutert Koblmüller.

„Die Arbeiten sind eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung hochleistungsfähiger optischer Komponenten für zukünftige Computer“, resümiert Finley. „Wir konnten zeigen, dass eine Fertigung von Siliziumchips mit integrierten Nanodraht-Lasern möglich ist.“