Siliciumchip mit integriertem Laser

Licht aus dem Nanodraht

Einen Nanolaser, der tausend Mal dünner ist als ein Haar, haben Physiker an der Technischen Universität München (TUM) entwickelt. Dank des ausgetüftelten Verfahrens wachsen die Nanodraht-Laser direkt auf Siliciumchips. Leistungsfähige photonische Bauelemente lassen sich auf diese Weise kostengünstig herstellen. Damit ist eine Grundvoraussetzung geschaffen für die künftige, schnelle und effiziente Datenverarbeitung mit Licht.

Nanodrähte auf Silicium-Oberfläche. (Bild / Fotograf: Thomas Stettner / Philipp Zimmermann / TUM)

Immer kleiner, immer schneller, immer billiger – 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 Prof. 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 Silicium. Die Lichtquellen für die Informationsübertragung müssen jedoch durch komplizierte und aufwändige Fertigungsschritte mit dem Silicium verbunden werden. Weltweit suchen Forscher daher nach alternativen Methoden.

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Benedikt Mayer und Lisa Janker an der Molekularstrahlepitaxie-Anlage im Walter Schottky Institut der TU München. (Bild / Fotograf: Uli Benz / TUM)

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 Siliciumchips abzuscheiden. Die Technologie wurde bereits zum Patent angemeldet.

Die Verbindung eines III-V Halbleiters mit Silicium 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 Silicium auf, treten Defekte auf.“

Dem TUM-Team gelang es, dieses Problem zu umgehen: Die Nanodrähte stehen aufrecht auf dem Silicium, 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 Silicium reflektiert nicht genügend Licht. Wir haben daher einen Extra-Spiegel eingebaut – eine 200 Nanometer dünne Siliciumoxid-Schicht, die auf das Silicium 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 Siliciumchip 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 Siliciumchip 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 optische Komponenten für zukünftige Computer“, resümiert Finley. „Wir konnten zeigen, dass eine Fertigung von Siliciumchips mit integrierten Nanodraht-Lasern möglich ist.“

Die Forschung wurde gefördert mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) durch das TUM Institute for Advanced Study, den Excellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) und die International Graduate School of Science and Engineering (IGSSE) der TUM sowie von IBM über ein Internationales Doktoranden-Programm.

Publikationen:
Monolithically Integrated High-beta Nanowire Lasers on Silicon: B. Mayer, L. Janker, B. Loitsch, J. Treu, T. Kostenbader, S. Lichtmannecker, T. Reichert, S. Morkötter, M. Kaniber, G. Abstreiter, C. Gies, G. Koblmüller, und J. J. Finley. Nano Letters, 2016, 16 (1), pp 152-156 – DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03404.

Coaxial GaAs-AlGaAs core-multishell nanowire lasers with epitaxial Gain control: T. Stettner, P. Zimmermann, B. Loitsch, M. Döblinger, A. Regler, B. Mayer, J. Winnerl, S. Matich, H. Riedl, M. Kaniber, G. Abstreiter, G. Koblmüller, and J. J. Finley. Applied Physics Letters, 108, 011108 (2016) – DOI: 10.1063/1.4939549.

Continuous wave lasing from individual GaAs-AlGaAs core-shell nanowires: B. Mayer, L. Janker, D. Rudolph, B. Loitsch, T. Kostenbader, Abstreiter, G. Koblmüller, and J. J. Finley. Applied Physics Letters 108, Vol. 8, Veröffentlichung 22. Feb. 2016.

Kontakt:
Prof. Dr. Jonathan J. Finley
Technische Universität München
Walter Schottky Institut
Am Coulombwall 4, 85748 Garching, Germany
E-Mail: jonathan.finley@wsi.tum.de
Web: http://www.wsi.tum.de/

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