Silizium-Chip mit integriertem Nanolaser entwickelt

Physiker der Technischen Universität München (TUM) haben einen Nanolaser entwickelt, der 1.000 Mal dünner ist als ein Haar. Der Clou: Dank eines ausgetüftelten Verfahrens wachsen Nanodraht-Laser direkt auf Silizium-Chips. Leistungsfähige photonische Bauelemente lassen sich auf diese Weise kostengünstig herstellen - eine Basis für die künftige, schnelle und effiziente Datenverarbeitung mit Licht. [...]

TUM-Forscher im Labor (c) tum.de
TUM-Forscher im Labor

„Schon heute sind Transistoren nur noch einige Nanometer groß. Reduziert man die Abmessungen noch weiter, steigen die Kosten massiv. Eine Steigerung der Leistung ist nur realisierbar, wenn man Elektronen durch Photonen, also Lichtteilchen, ersetzt“, erklärt Jonathan Finley, Leiter des Walter-Schottky-Instituts der TUM. Dies ermöglicht das neue Verfahren, das Nanodrahtlaser direkt auf Silizium-Chips abscheidet. Die Technologie wurde bereits zum Patent angemeldet.

Verbindung eines III-V-Halbleiters mit Silizium: „Die beiden Materialien haben unterschiedliche Gitterabstände und unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Das führt zu Spannungen. Dampft man zum Beispiel Galliumarsenid flächig auf Silizium auf, treten Defekte auf“, verdeutlicht Gregor Koblmüller vom Lehrstuhl für Halbleiter Quanten-Nanosysteme an der TUM. Doch dem Team gelang es, dieses Problem zu umgehen.

Die Nanodrähte stehen aufrecht auf dem Silizium, die Grundfläche beträgt dadurch nur noch einige Quadratnanometer. Defekte können so weitestgehend vermeiden werden. 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. „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“, fügt TUM-Doktorand Benedikt Mayer hinzu.

In die Spiegelschicht lassen sich feine Löcher ätzen. In diesen lassen sich mittels Epitaxie in der Folge 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 herflitzen 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“, weiß Koblmüller. (pte)

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