Integrierte Schaltkreise heizen sich bei der Datenübertragung auf, weshalb nicht nur Consumer-Geräte Kühlung benötigen, sondern auch besonders Hochleistungs-Rechenzentren auf Kühlaggregate mit Leistungen im Megawatt-Bereich zurückgreifen müssen. Abhilfe könnte hierbei die Photonik schaffen, also die Datenübertragung per Lichtimpulse, die keine Wärme generiert.

Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Für Photonik-Chips lassen sie sich direkt in die gängigen Halbleiterherstellungsprozesse integrieren.

Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Für Photonik-Chips lassen sie sich direkt in die gängigen Halbleiterherstellungsprozesse integrieren. E. Fadaly / TU/e

Seit mehr als 50 Jahren bemühen sich Forscher daher, Laser aus Silizium oder Germanium zu bauen, bisher vergeblich. Das Halbleiter-Arbeitspferd Silizium kritallisiert normalerweise in einem kubischen Kristallgitter. In dieser Konfiguration besitzt es jedoch keine direkte Bandlücke und kann so kein Licht emittieren. Zusammen mit Kooperationspartnern der TU München sowie der Universitäten Jena und Linz ist es Forschenden der TU Eindhoven nun gelungen, Legierungen aus Germanium und Silizium zu entwickeln, die Licht abgeben können.

Entscheidend dafür war, dass die Legierung ein hexagonales Kristallgitter erzeugt. Dieses hat eine direkte Bandlücke, wie Prof. Jonathan Finley, Professor für Halbleiter-Nanostrukturen und -Quantensysteme an der TU Müchen, sagt.

Mit einem Template zum Silizium-Laser

Schon 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 Template zwang dabei auch der Germanium-Silizium-Legierung eine hexagonale Struktur auf. Doch diese Strukturen ließen sich zunächst nicht zum Leuchten anregen.

Im Austausch mit Kollegen am Walter-Schottky-Institut der TU München, die während der Optimierung Generation für Generation die optischen Eigenschaften der Legierung analysierten, gelang es schließlich, das Herstellungsverfahren so zu verbessern, dass die Nanodrähte schließlich tatsächlich Licht ausstrahlen konnten.

„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 sich noch dazu in die gängigen Halbleiter-Herstellungsprozesse integrieren lässt, 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 Diagnos oder zur Messung der Luft- und Lebensmittelqualität dramatisch günstiger werden.“