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Silicon Photonics: Nanodraht-Laser sollen optische Chips wirtschaftlich machen

Photonen statt Elektronen - optische Schaltungen könnten eine Alternative zu elektronischen Halbleitern werden. Forscher in München haben hierzu einen neuen Ansatz entwickelt, Nanodraht-Laser mit Silizium zu verbinden.

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Nanodrähte aus Gallium-Arsenid auf Silizium
Nanodrähte aus Gallium-Arsenid auf Silizium (Bild: Thomas Stettner, Philipp Zimmermann/TU München)

Forscher der Technischen Universität München haben einen neuen Ansatz vorgestellt, um Silicon Photonics kostengünstiger als bisher zu fertigen. Hier werden Nanodrähte aufrecht mit einer Siliziumschicht verbunden, die als Miniatur-Laser zur optischen Informationsübertragung wirken. Mittelfristig könnten sogenannte Silicon Photonics die heutigen elektronischen Halbleiter ablösen und so schnellere und günstigere Chips ermöglichen. Seit Jahren werden die Halbleiterfertigung und die Schrumpfung der Strukturen immer aufwendiger und vor allem teurer, etwa durch EUV-Lithographie.

  • Benedikt Mayer und Lisa Janker an der Epitaxieanlage im Walter Schottky Institut der TU München (Foto: Uli Benz / TUM)
  • Nanodrähte aus Gallium-Arsenid auf einer Silizium-Oberfläche (Bild: Thomas Stettner/Philipp Zimmermann / TUM)
Benedikt Mayer und Lisa Janker an der Epitaxieanlage im Walter Schottky Institut der TU München (Foto: Uli Benz / TUM)
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Der Ansatz des Lehrstuhls für Halbleiter-Quanten-Nanosysteme ist ein Verfahren, um "Nanodrahtlaser direkt auf Silizium-Chips abzuscheiden", auf das auch ein Patent angemeldet wurde. Einen III-V-Halbleiter wie Galliumarsenid mit Silizium zu verbinden, resultiert beim Aufdampfen in Defekten, da beide Halbleiter unterschiedliche Gitterabstände und unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Forscher haben daher eine Siliziumoxid-Spiegelschicht aufgebracht, Löcher hineingeätzt und per Epitaxie die Nanodrähte aus Galliumarsenid Schicht für Schicht hochgezogen. Das hat den Vorteil, dass die Grundfläche der Drähte nur wenige Quadratnanometer beträgt, was auftretende Defekte weitestgehend verringert.

Noch produzieren die Drähte mit Hilfe externer Laser infrarotes Licht. Als nächsten Schritt planen die Forscher, die Emissionswellenlänge zu verändern und somit die Lichtausbreitung besser steuern zu können. Danach sei geplant, "eine Schnittstelle zum Strom zu schaffen", um auf die externen Laser zu verzichten. Die Forscher sind sich sicher: "Eine Steigerung der Leistung ist nur realisierbar, wenn man Elektronen durch Photonen [...] ersetzt".

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