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11.03.2015

Prof. Detlev Grützmacher, Direktor Peter Grünberg Institut: Neue Laser für Computerchips

Prof. Detlev Grützmacher

Das Peter Grünberg Institut (PGI) ist die zentrale Plattform für Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Nanoelektronik und vereint Forschung, Technologieentwicklung und innovative Gerätekonzepte. Prof. Dr. Detlev Grützmacher ist Direktor am Jülicher Peter Grünberg Institut.


1. Sie haben zusammen mit Partnern den ersten Halbleiterlaser vorgestellt, der ausschließlich aus Elementen der sogenannten Kohlenstoffgruppe (4. Hauptgruppe) besteht. Welche Vorteile hat diese Kombination?

Prof. Detlev Grützmacher: Nur ein Laserbaustein aus Halbleitern der vierten Hauptgruppe – dazu gehört neben Silizium (Si) auch Germanium (Ge) und Zinn (Sn) – lässt sich ohne grundlegende Schwierigkeiten in den Herstellungsprozess von Silizium-Chips integrieren. Damit schafft die Verbindung eine neue Grundlage, um Daten auf Computerchips mit Licht zu übertragen. Das ist zum einen schneller und benötigt außerdem nur einen Bruchteil der Energie im Vergleich zu den bisher üblichen Kupferleitungen. Auf diese Weise könnte man etwa die Kommunikation zwischen Logik- und Speicherelementen beschleunigen, die als Flaschenhals für Fortschritte in der Computertechnologie gilt.


2. Mit welchem Verfahren wird das Germanium mit dem Zinn „verheiratet“ und wie hoch ist der Zinngehalt?

Prof. Detlev Grützmacher: Die einkristallinen dünnen Schichten aus Si, Ge und Sn werden mit einem speziellen Epitaxieverfahren direkt auf Silizium-Substrat abgeschieden. Dieses spezielle, zum Patent angemeldete Verfahren, welches wir „Reaktive Gasquellen Epitaxie“ nennen, wurde von uns entwickelt und auf einer kommerziell erhältlichen Anlage umgesetzt.

Das Besondere daran ist, dass wir Hydridradikale (GeH3) und Chlorverbindungen (SnClx) auf der Oberfläche zu einer exothermen Kettenreaktion bringen, bei der sehr viel Energie frei wird. Dies führt auf der Oberfläche zur Zerlegung der Moleküle und einer akkuraten Anordnung der Atome in das Kristallgitter. Das Substrat selbst bleibt relativ kalt, die Germanium- und Zinn-Atome werden in den Kristall quasi eingefroren. Dies erlaubt es, Zinn-Konzentrationen von derzeit 12 – 14 Prozent zu erreichen, weit über der Gleichgewichts-Löslichkeit, die bei etwa 1 Prozent liegt.


3. Welcher Unterschied besteht zu den schon eingesetzten Lasern in Glasfaserkabeln?

Prof. Detlev Grützmacher: Laser, die teilweise schon seit Jahrzehnten in Telekommunikationsnetzen und Rechenzentren verwendet werden, bestehen typischerweise aus Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe, man spricht daher auch von III/V-Lasern. Für die optische Übertragung in Glasfasern werden Laser als einzelne Bausteine genutzt, die auf einen Kühlkörper gesetzt und nicht in einen Siliziumchip integriert werden. Aufgrund ihrer andersartigen Kristalleigenschaften lassen sich diese III/V-Laser nicht mit der geforderten Qualität direkt auf Silizium aufbringen, sondern müssen für die Integration in einem Silizium-Chip aufwendig extern produziert und nachträglich mit dem Wafer verklebt werden.

Da sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten deutlich von Silizium unterscheiden, ist die Lebensdauer derartiger Elemente stark eingeschränkt. Auch die Materialkosten für solche Verbindungen, etwa Galliumarsenid, sind in der Regel unverhältnismäßig hoch. Im Unterschied dazu kann GeSn direkt auf Si abgeschieden werden. Ein weiterer Vorteil: Die GeSn-Laser emittieren bei einer Wellenlänge, die von den aus Silizium und Germanium gefertigten elektronischen Bauelementen auf dem Chip nicht absorbiert wird.


4. Welche Wellenlängen emittiert der Laser?

Prof. Detlev Grützmacher: Die Charakterisierung des Germanium-Zinn-Lasers am Paul Scherrer Institut (PSI) in der Schweiz, in der Arbeitsgruppe von Dr. Hans Sigg, hat ergeben, dass das emittierte Licht im Wellenlängenbereich von 2,25 – 2,3 Mikrometer liegt. Diese Wellenlänge ist stark abhängig von dem Zinn-Gehalt der GeSn-Legierung. Für die höchsten zurzeit erreichten Zinn-Konzentrationen von 14 Prozent erwarten wir Wellenlängen weit jenseits von drei Mikrometern, also in einem Bereich des nahen bis mittleren Infrarot. Sehen könnte man den Strahl mit dem bloßen Auge daher nicht. In Zukunft könnte der Wellenlängenbereich durch das Hinzufügen von Si in die Legierung noch erweitert und auf bestimmte Anwendungen bezogen optimiert werden.


5. Was sind die größten Haupthemmnisse des Germanium-Zinn-Lasers auf seinem Weg vom Labor hin zur Anwendung?

Prof. Detlev Grützmacher: Bisher haben wir den Laser optisch gepumpt, d.h. wir haben die für das Lasern benötigten angeregten Elektronen erzeugt, indem wir das GeSn mit einer starken Lichtquelle bestrahlt haben. Für die Anwendung muss diese Anregung elektrisch, also durch das Anlegen einer elektrischen Spannung erzeugt werden. Weitere dünne Schichten, die die GeSn-Schicht flankieren, sind hierfür notwendig. Bisher mussten die Schichten auf -180 Grad Celsius abgekühlt werden, um einen Laser zu erhalten. Um einen Betrieb bei Raumtemperatur zu erreichen, muss der Zinn-Gehalt weiter erhöht werden. Wir sind hier gemeinsam mit unseren internationalen Partnern auf gutem Weg, diese Hürden zu überwinden.


6. Sind neben der Datenkommunikation auf Computerchips weitere Anwendungen denkbar?

Prof. Detlev Grützmacher: In dem angesprochenen Wellenlängenbereich weisen auch viele Kohlenstoffverbindungen starke Absorptionslinien auf: Klimagase etwa oder Carbonate und Biomoleküle. Die Germanium-Zinn-Verbindung eignet sich daher auch für neuartige Sensoren, die sich direkt auf dem Chip eines mobilen Gerätes befinden und mit denen sich diese Stoffe nachweisen lassen.

Mehr Informationen:
www.fz-juelich.de

 
 
 
 
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