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Weltweit erster Silizium-Quantenpunktlaser gebaut
Linz (jku) - Künftig werden die Signale auf Computerchips nicht mehr ausschließlich elektrisch
übertragen, sondern zunehmend mit Licht. Da Computerchips auf Silizium basieren, dieses aber für Lichtquellen
nicht geeignet ist, stehen die Chipentwickler vor Problemen. JKU-WissenschaftlerInnen präsentierten nun eine
vielversprechende Lösung: Den weltweit ersten Silizium-Germanium-Quantenpunktlaser.
Aufgrund der ständigen Miniaturisierung verlaufen inzwischen in einem nur wenige Quadratzentimeter großen
Computerchip mehrere Kilometer an Kupferleitungen zur elektrischen Signalübertragung. Das führt zu hohen
elektrischen Widerständen und entsprechend niedrigen Taktfrequenzen. Die Datenübertragung zwischen Rechenzentren
und auch im Internet nutzt schon seit längerem Lichtsignale in optischen Glasfaserkabeln. Weltweit wird nun
intensiv daran gearbeitet, die Signalübertragung auch innerhalb eines einzelnen Computer-Chips optisch - also
mit Lichtgeschwindigkeit - zu übertragen. Doch das wirft neue Probleme auf.
Keine Alternative zu Silizium
"Silizium ist leider ein indirekter Halbleiter, das heißt, es ist für effiziente Lichtquellen
nicht geeignet", so Dr. Moritz Brehm vom Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik der JKU (Institutsvorstand:
Univ.-Prof. Armando Rastelli). Im Gegensatz zu direkten Halbleitern, aus denen konventionelle Leuchtdioden (LEDs)
hergestellt werden, benötigen indirekte Halbleiter zur Erzeugung eines Lichtquants einen Dreiteilchenprozess
(siehe Kasten unten). "Die Wahrscheinlichkeit, dass tatsächlich Licht ausgesendet wird, sinkt durch dieses
Problem um mehrere Zehnerpotenzen", erklärt Brehm. Eine Abkehr vom Silizium kommt aber nicht in Frage:
"Direkte Halbleiter lassen sich nur mit unwirtschaftlich hohem Aufwand in Computerchips integrieren, die wiederum
aufgrund der erreichbaren Miniaturisierung auch in Zukunft ausschließlich auf dem Halbleitermaterial Silizium
beruhen werden."
Weltweit wird daher intensiv nach Konzepten und Materialien für die "monolithische Integration"
von Lichtquellen auf Silizium-Chips gesucht. Darunter versteht man die parallele Fertigung von Bauelementen auf
ein und demselben Substratmaterial, hier also einer kristallinen Silizium-Scheibe.
Neuer Ansatz: Quantenpunkte
Genau das ist einem Team um Dr.in Martyna Grydlik und Dr. Moritz Brehm (Abteilung Halbleiterphysik) nun gelungen
- mit Hilfe von Quantenpunkten. Quantenpunkte sind wenige Nanometer (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) große
physikalische Objekte, in denen Ladungsträger (Elektronen und Löcher) wie in Käfige eingeschlossen
werden. Aufgrund der kleinen Abmessung der Quantenpunkte (sie bestehen nur aus einigen tausend Atomen) werden Quantenpunkte
auch künstliche Atome genannt. Allerdings kann man, im Gegensatz zu richtigen Atomen, die physikalischen Eigenschaften
der Quantenpunkte gezielt durch deren Herstellung steuern.
Germanium-Beschuss
Damit waren die JKU-PhysikerInnen aber noch nicht zufrieden: Um den Käfig noch kleiner zu machen, wurden
die Quantenpunkte mit Germanium-Ionen beschossen und so kontrolliert einzelne Defekte eingebracht. "Damit
werden die Käfige so klein, dass die ,Heisenbergsche Unschärferelation' wirkt und den ,Dreiteilchenprozess'
überflüssig macht", so Dr.in Martyna Grydlik.
So erzeugen die modifizierten Quantenpunkte auch noch bei Raumtemperatur effizient Licht, welches künftig
für die Informationsübertragung auf Computerchips verwendet werden soll. Für die Realisierung des
Silizium-Germanium-Lasers haben die ForscherInnen die Quantenpunkte in Mikro-Scheibenresonatoren (siehe Abbildung
2) mit etwa zwei Mikrometern Durchmesser eingebettet (1 Mikrometer = 1 Tausendstel Millimeter). Das Licht wird
in der Scheibe ständig reflektiert und läuft damit dauernd im Kreis. Dabei werden die eingebetteten Quantenpunkte
zur Lichtaussendung angeregt, was wiederum das umlaufende Licht so lange verstärkt, bis schließlich
die Schwelle zur Lasertätigkeit überschritten wird.
Industrie bereits interessiert
Der Linzer Quantenpunkt-Laser, dessen Realisierung gerade in der Fachzeitschrift "ACS Photonics"
veröffentlicht wurde, wird zurzeit noch optisch angeregt. Der nächste Schritt der JKU-PhysikerInnen zielt
darauf ab, einen elektrisch angeregten Laser herzustellen, der sich vollständig auf Chipebene in einen digitalen
Silizium-Schaltkreis integrieren und von dort auch ansteuern lässt. Die Grundlagen für den Silizium-Germanium-Quantenpunktlaser
wurden im Rahmen von mehreren FWF-geförderten Projekten erarbeitet. Die anschließende Bauelementintegration
soll in Zusammenarbeit mit der österreichischen Halbleiterindustrie erfolgen, die bereits großes Interesse
signalisiert hat.
Vielfältige Möglichkeiten
Neben der Integration von Silizium-basierten Lichtquellen für die optische Inter- und Intra-Chip-Signalübertragung
bergen die neuartigen Nanostrukturen auch das faszinierende Potential, sogenannte Einzelphotonenquellen erstmals
auf Siliziumbasis herstellen zu können. Dadurch ließe sich Quantenkryptogaphie und herkömmliche
Elektronik auf ein und demselben Silizium-Chip vereinigen. "Aber das wird erst die Zukunft zeigen, wir sind
noch am Anfang", meint Dr. Brehm mit Blick auf neue Herausforderungen.
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