Trends in Siliziumphotonik Ein Durchbruch aus Jülich revolutioniert die On-Chip-Photonik

Anbieter zum Thema

Forschungszentrum Jülich GmbH

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Mit dem ersten elektrisch gepumpten Halbleiterlaser für den kontinuierlichen Betrieb erblickt das bisher fehlende Puzzlestück der Silizium-Photonik das Licht der Welt. Ein internationales Team am Forschungszentrum Jülich hat das Technikwunder aus Elementen der vierten Hauptgruppe gefertigt.

Mit diesem bahnbrechenden Fortschritt der Silizium-Photonik lässt sich die nahtlose Kopplung optischer und elektronischer Komponenten auf einem einzigen Chip realisieren.

Ein Durchbruch im Nanomaßstab

Ein elektrisch gepumpter Laser verwendet elektrische Signale (sprich: Strom), um Elektronen und Löcher in den Quantentöpfen anzuregen. Dadurch löst ein solcher Laser die Lichtemission aus, ohne eine externe Lichtquelle zu benötigen. Im Gegensatz zu einem optisch gepumpten Laser, der zusätzliche Laserquellen oder Lampen benötigt, lässt sich dieser elektrisch gepumpte Laser vollständig in einen Mikrochip integrieren. Gefertigt ausschließlich aus Materialien der vierten Hauptgruppe – der sogenannten „Siliziumgruppe“ – lässt sich dieser Laser auf Standard-Siliziumwafern in bestehenden Halbleiterprozessen fertigen.

Mit dem elektrisch gepumpten Laser hat Jülich ein entscheidendes Hindernis der On-Chip-Photonik überwunden. Wesentliche photonische Bausteine wie Hochleistungsmodulatoren, Fotodetektoren und Wellenleiter bereits erfolgreich in Siliziumchips integriert. Doch bisher fehlte eine effiziente Lichtquelle für photonische Chips. Der neue Laser schließt diese Lücke.

Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Dan Buca am Peter Grünberg Institut (PGI-9) des Forschungszentrums Jülich hat mit Partnern wie dem IHP, der Universität Stuttgart, CEA-Leti, C2N-Université Paris-Sud und dem Politecnico di Milano gezeigt, wie vielseitig GeSn-Legierungen einsetzbar sind – von der Photonik über die Elektronik bis hin zur Thermoelektrik und Spintronik. „Seit fast einem Jahrzehnt erforschen wir die faszinierenden Möglichkeiten von Germanium-Zinn-Legierungen (GeSn),“ sagt Dr. Dan Buca.

Mit diesem neuen Laser rückt die Vision einer vollständig integrierten Siliziumphotonik, die optische und elektronische Funktionalitäten auf einem einzigen Chip vereint, in greifbare Nähe. Obwohl der neue Laser einen bedeutenden technologischen Durchbruch darstellt, ist die Aufgabe noch nicht erledigt. Auf der Zu-Erledigen-Liste stehen unter anderem die Senkung der Laserschwelle und die Gewährleistung eines stabilen Betriebs bei Raumtemperatur. Die Fortschritte mit optisch gepumpten Germanium-Zinn-Lasern, die inzwischen bei Raumtemperatur betrieben werden können, zeigen das Potenzial für zukünftige Entwicklungen.

Ein optisch gepumpter Laser wird durch eine externe Lichtquelle angeregt, um die Lichtemission zu erzeugen. Das bedeutet, dass das Laserlicht durch Energiezufuhr in Form von Licht anderer Wellenlängen (z. B. mit einem anderen Laser oder einer Lampe) initiiert wird. Diese Methode ist zwar technisch umsetzbar, aber für viele praktische Anwendungen nicht effizient genug, insbesondere wenn man den Laser direkt in Chips integrieren möchte.

Die Fähigkeit, optisch gepumpte GeSn-Laser bei Raumtemperatur zu betreiben, zeigt, dass das Materialsystem Germanium-Zinn grundsätzlich in der Lage ist, hohe Effizienz und Stabilität auch unter Standardbedingungen zu erreichen. Dies ist ein vielversprechender Hinweis darauf, dass elektrisch gepumpte GeSn-Laser, wie der aus Jülich, durch weitere Material- und Strukturverbesserungen ebenfalls bei Raumtemperatur betrieben werden könnten.

Quantenmechanische Effekte in unterschiedlichen Bandlücken

Die Funktionsweise des Lasers beruht auf einer Multi-Quantum-Well-Struktur (MQW). Eine MQW-Struktur ist ein zentrales Design in der Halbleiterphysik, das die Effizienz und Leistungsfähigkeit von Lasern und anderen optoelektronischen Bauelementen verbessert.

Eine Multi-Quantum-Well-Struktur besteht aus abwechselnden ultradünnen Schichten zweier Materialien, die unterschiedliche Bandlücken aufweisen. Schichten mit kleinerer Bandlücke – die sogenannten Quantentöpfe – fangen Elektronen und Löcher ein, während die dazwischenliegenden Schichten mit größerer Bandlücke als Barrieren dienen, die diese Teilchen einschließen und in den Quantentöpfen halten. Der Laser aus Jülich kombiniert hierzu ultradünne Schichten aus Silizium-Germanium-Zinn (SiGeSn) und Germanium-Zinn (GeSn).

GeSn weist eine kleinere Bandlücke als reines Germanium auf, wodurch sich die Lichtemission in den technologisch wichtigen Wellenlängen des Infrarotbereichs (beispielsweise zwischen 2 und 3 Mikrometern Wellenlänge) effizienter gestaltet, was den Energieverbrauch senkt. Diese Wellenlängen eignen sich besonders für die Datenübertragung und Sensorik. Da SiGeSn und GeSn vollständig kompatibel mit Siliziumwafern sind, lassen sie sich direkt in die CMOS-Fertigung integrieren, was die Herstellung vereinfacht und die Kosten senkt.

In der Halbleiterphysik bezieht sich der Begriff „Löcher“ auf fehlende Elektronen in einem ansonsten voll besetzten Valenzband eines Halbleitermaterials. Diese Löcher verhalten sich wie positiv geladene Teilchen. Durch die extrem dünnen Schichten (nur wenige Nanometer dick) entstehen quantenmechanische Effekte, die eine präzise Kontrolle der elektronischen und optischen Eigenschaften, darunter eine effiziente Lichtemission, erlauben.

Wenn Elektronen in dem Halbleitermaterial durch Energiezufuhr – zum Beispiel Wärme oder Licht – aus dem Valenzband in das Leitungsband gehoben werden, entstehen an den ursprünglichen Positionen im Valenzband Leerstellen, die sogenannten Löcher. Die Löcher verhalten sich wie positive Ladungsträger an der Stelle fehlender Elektronen.

Ein solches Loch kann sich im Kristallgitter bewegen, wenn benachbarte Elektronen in die Lücke springen. Dadurch entsteht ein Effekt, der so aussieht, als würde sich eine positive Ladung durch das Material bewegen. Eben dieses Verhalten spielt eine zentrale Rolle bei der elektrischen Leitfähigkeit und Lichtemission in Halbleitern.

In einer Multi-Quantum-Well-Struktur (MQW), wie sie im GeSn-Laser verwendet wird, treten quantisierte Energiezustände für Elektronen und Löcher auf.

Quantentöpfe bestehen aus Materialien mit kleinerer Bandlücke, z. B. Germanium-Zinn (GeSn). Sie wirken wie Fallen für Elektronen im Leitungsband und für Löcher im Valenzband, indem die Energiebarriere zu den benachbarten Schichten (jenen mit größerer Bandlücke) verhindert, dass die Teilchen entweichen. Elektronen werden in den tieferliegenden Energiezuständen des Leitungsbandes eingeschlossen, während Löcher in den quantisierten Zuständen des Valenzbandes gehalten werden.

Die Einschließung von Elektronen und Löchern in den Quantentöpfen erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass sie sich rekombinieren und dabei Photonen erzeugen.

Ein Elektron fällt von einem höheren Energieniveau im Leitungsband in ein niedrigeres Energieniveau im Valenzband. Dabei rekombiniert es mit einem Loch, und die Energiedifferenz wird als Photon abgegeben. Diese Rekombination ist der Kernprozess in einem Halbleiterlaser.

In der Struktur des Lasers können Elektronen und Löcher nur diskrete Energieniveaus annehmen. Dieses Phänomen verstärkt die Interaktionen zwischen Licht und Materie. Dadurch gestaltet sich die Lichtemission effizienter. In den Quantentöpfen der MQW-Struktur werden Elektronen und Löcher räumlich eingeschlossen, was die Effizienz des Lasers bei der Lichtemission stark steigert. Ohne diese Löcher könnte keine Rekombination und somit keine Lichtemission stattfinden.

Der Einsatz von Silizium-Germanium-Zinn (SiGeSn) und Germanium-Zinn (GeSn) ermöglicht eine effiziente Lichtemission im mittleren Infrarotbereich. Eine innovative Ring-Geometrie des Lasers trägt zur Reduzierung des Energieverbrauchs bei.

Der Mikrodisk-Resonator verwendet eine Ringstruktur anstelle der herkömmlichen linearen oder Fabry-Pérot-Geometrien. Diese Ringgeometrie bildet die physikalische Grundlage für die Erzeugung von Whispering Gallery Modes (WGM), bei denen das Licht kontinuierlich innerhalb des Rings geführt und verstärkt wird. Die enge Verbindung zwischen der Ringstruktur und den WGMs ist ein zentraler Aspekt der technologischen Innovation des neuen Technikwunders aus Jülich.

In dem Mikrodisk-Laser zirkulieren die Lichtwellen entlang der inneren Grenzfläche des Resonators, die sich nahe der äußeren Kante des Rings befindet. Hier wird das Licht durch Totalreflexion geführt, ohne auszutreten. So verstärkt der Resonator die Lichtintensität, um die Wechselwirkung mit der Multi-Quantum-Well-Struktur zu maximieren.

Wegbereiter für photonische integrierte Schaltkreise (PICs)

Photonisch integrierte Schaltkreise (PICs) kombinieren optische und elektronische Komponenten auf einem einzigen Chip. Ein elektrisch gepumpter Halbleiterlaser fungiert dabei als Bindeglied zwischen der optischen und der elektronischen Domäne, indem er elektrische Signale in Licht umwandelt. Dies ermöglicht die effiziente Integration von Lichtquellen direkt auf dem Chip, was zu höheren Übertragungsgeschwindigkeiten und geringeren Energieverlusten führt.

Der neu entwickelte elektrisch gepumpte Halbleiterlaser des Forschungszentrums Jülich ermöglicht die nahtlose Verbindung elektrischer und photonischer Komponenten in einem photonischen Chip und lässt sich in herkömmlichen Halbleiterprozessen fertigen. Dies löst ein zentrales Problem der On-Chip-Photonik und ebnet den Weg für leistungsfähigere und energieeffizientere photonische Systeme.

Der Laser aus Jülich funktioniert stabil bei minimaler Wärmeentwicklung unter kryogenen Bedingungen von 90 Kelvin (-183,15 Grad Celsius) – kälter als flüssiger Stickstoff. Im Dauerstrichbetrieb (Continuous Wave, CW) bei Temperaturen bis maximal 35 Kelvin weist der Laser niedrige Laserschwellenströme auf.

Ein Laser mit niedrigen Schwellenströmen benötigt weniger Energie, um die Laseraktivität zu starten. Der Mikrodisk-Laser des Forschungszentrums Jülich geht bereits bei einer geringen Stromstärke von etwa 5 Milliampere und einer Spannung von nur 2 Volt in den Laserbetrieb über. Diese Werte sind vergleichbar mit den Anforderungen einer Leuchtdiode (LED).

Herkömmliche Halbleiterlaser auf Basis von III-V-Materialien (z. B. Galliumarsenid GaAs oder Indiumphosphid InP) benötigen im Dauerstrichbetrieb (Continuous Wave, CW) je nach Bauweise und den spezifischen Betriebsbedingungen typischerweise Schwellenströme im Bereich von 10 bis 100 Milliampere. III-V-Halbleiter haben zwar gute optische Eigenschaften, benötigen aber dennoch höhere Ladungsträgerkonzentrationen, um die Laserschwelle zu erreichen. Mit steigender Betriebstemperatur erhöht sich der Schwellenstrom, indem thermische Verluste zunehmen.

Die niedrigen Schwellenströme sind zum Teil der verwendeten Multi-Quantum-Well-Struktur (MQW) zu verdanken. In dieser Struktur werden die Elektronen und Löcher effizient in den Quantentöpfen eingeschlossen, wodurch die Wahrscheinlichkeit für die stimulierte Emission steigt. Dadurch sind weniger Ladungsträger (Elektronen und Löcher) erforderlich, um die Laserschwelle zu überschreiten.

Für Anwendungen bei höheren Temperaturen, einschließlich Raumtemperatur, besteht noch Optimierungsbedarf, insbesondere hinsichtlich der Wärmeableitung und der Verbesserung der Materialeigenschaften.

Zu den zukünftigen Herausforderungen zählen:

• Erhöhung der Betriebstemperatur durch Materialmodifikationen, wie die Anpassung der Zinn- und Siliziumanteile in den Legierungen;

• Optimierung der Multi-Quantum-Well-Struktur, um eine bessere Trägerkonfination und ein höheres Energiebandoffset zu erreichen;

• effektivere Kühlung durch Veränderungen am Laserkavitätsdesign, etwa durch den Einsatz von Ringkavitäten zur Reduktion der Wärmeentwicklung.

Diese Verbesserungen stehen rücken in den Fokus zukünftiger Forschungsarbeiten.

Fazit

Mit dem Aufkommen der Künstlichen Intelligenz und IoT wächst der Bedarf an Hardware, die große Datenmengen schnell und energieeffizient verarbeiten kann. Die optische Datenübertragung bietet hier signifikante Vorteile, da sie hohe Bandbreiten bei minimalen Energieverlusten bereitstellt.

Der Laser aus Jülich stellt einen bahnbrechenden Fortschritt der Silizium-Photonik dar. Der elektrisch gepumpte Laser stellt Lichtquellen für die optische Kommunikation direkt auf dem Chip bereit. Vollständig gefertigt aus Materialien der vierten Hauptgruppe – der sogenannten „Siliziumgruppe“ – ist dieser Laser direkt in Siliziumchips integrierbar und lässt sich auf Standard-Siliziumwafern in bestehenden Halbleiterfertigungsprozessen fertigen. Damit entfällt die aufwändige und kostenintensive Integration von III-V-Halbleitern. (mbf)

* Anna Kobylinska und Filipe Pereia Martins arbeiten für McKinley Denali, Inc., USA.

(ID:50303361)