Forschungszentrum Jülich Neuer Laser für Computerchips

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und des Schweizer Paul Scherrer Instituts haben gemeinsam mit internationalen Partnern den ersten Halbleiterlaser vorgestellt, der ausschließlich aus Elementen der vierten Hauptgruppe besteht.

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Der Germanium-Zinn-(GeSn) Laser lässt sich daher direkt auf einem Silizium-Chip aufbringen und schafft damit eine neue Grundlage, um Daten auf Computerchips mit Licht zu übertragen: schneller und mit einem Bruchteil der Energie als es über klassische Kupferleitungen möglich wäre. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Photonics erschienen.

Der Datentransfer zwischen multiplen Kernen wie auch zwischen Logik- und Speicherelementen gilt als Flaschenhals der sich rasant weiterentwickelnden Computertechnologie. Die Kommunikation mit Licht käme wie gerufen, um den Datenfluss auf Computerchips sowie zwischen verschiedenen Komponenten auf dem Board zu beschleunigen und wesentlich energieeffizienter zu gestalten.

„Die Signalübertragung über Kupferverbindungen limitiert die Weiterentwicklung von größeren und schnelleren Rechnern aufgrund der Wärmebelastung sowie der begrenzten Bandbreite von Kupferverbindungen. Allein das Signal zur Synchronisation der Schaltkreise verbraucht bis zu 30 Prozent der Energie – Energie, die sich durch die optische Übertragung einsparen lässt“, erläutert Prof. Detlev Grützmacher, Direktor am Jülicher Peter Grünberg Institut.

Langstrecken-Telekommunikationsnetze und Rechenzentren setzen teilweise schon seit Jahrzehnten auf optische Verbindungen. Mit ihnen lassen sich auch über größere Entfernungen noch sehr hohe Bandbreiten erzielen. Über Glasfaserkabel pflanzen sich die Signale praktisch verlustfrei und simultan über verschiedene Wellenlängen fort: ein Geschwindigkeitsvorteil, von dem zunehmend auch die Mikro- und Nanoelektronik profitiert.

„In vielen Bereichen ist die Integration optischer Bauteile bereits ziemlich weit fortgeschritten. Was aber trotz intensiver Forschung bislang fehlt, ist eine Laserquelle, die mit der Chip-Herstellung kompatibel ist“, so der Leiter des Bereichs Halbleiternanoelektronik (PGI-9).

Passendes Material für die Chip-Produktion

Grundlage der Chip-Fertigung ist Silizium, das der vierten Hauptgruppe im Periodensystem angehört. Typische Halbleiterlaser für Telekommunikationssysteme, etwa aus Galliumarsenid, sind jedoch teuer und bestehen aus Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe. Das wirkt sich grundlegend auf die Kristalleigenschaften aus.

Entsprechende Laserbauelemente lassen sich daher nicht direkt auf Silizium aufbringen. Sie müssen aufwendig extern produziert und beispielsweise nachträglich mit dem Wafer verklebt werden. Dass sich die thermischen Ausdehnungskoeffizienten deutlich von Silizium unterscheiden, schränkt die Lebensdauer derartiger Elemente allerdings stark ein.

Halbleiter der vierten Hauptgruppe – dazu gehört neben Silizium auch Germanium – lassen sich dagegen ohne grundlegende Schwierigkeiten in den Herstellungsprozess integrieren. Doch beide Elemente sind als Lichtquelle nicht besonders effizient. Sie zählen zu den sogenannten indirekten Halbleitern. Im Gegensatz zu einem direkten Halbleiter geben sie im angeregten Zustand in erster Linie Wärme und nur wenig Licht ab.

Forschergruppen auf der ganzen Welt verfolgen daher intensiv das Ziel, die Materialeigenschaften von Germanium so zu manipulieren, dass es sich zur Verstärkung optischer Signale und damit als Laserquelle nutzen lässt.

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