{"id":217234,"date":"2020-04-09T15:05:24","date_gmt":"2020-04-09T13:05:24","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=217234"},"modified":"2020-04-09T15:05:24","modified_gmt":"2020-04-09T13:05:24","slug":"silizium-statt-galliumarsenid-und-indiumphosphid-grosser-schritt-zur-herstellung-photonischer-chips","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/silizium-statt-galliumarsenid-und-indiumphosphid-grosser-schritt-zur-herstellung-photonischer-chips\/","title":{"rendered":"Forscher der TU Eindhoven machen mit Silizium einen gro\u00dfen Schritt in Richtung photonischer Chips"},"content":{"rendered":"

Dass photonische Chips erhebliche Vorteile gegen\u00fcber elektronischen Chips haben, ist inzwischen bekannt. Der Datentransfer kann schneller und kosteng\u00fcnstiger erfolgen. Au\u00dferdem kommt es nicht zu der hohen W\u00e4rmeentwicklung, unter der gro\u00dfe Rechenzentren heute leiden. Bisher jedoch war dies mit dem Rohstoff Silizium nicht m\u00f6glich; daf\u00fcr mussten das wesentlich teurere und seltenere Galliumarsenid und Indiumphosphid verwendet werden. Forscher der Technischen Universit\u00e4t Eindhoven<\/a> (TU\/e) in den Niederlanden haben nun aber doch einen Weg gefunden, mit Silizium Licht zu emittieren. Das ist nach 50 Jahren Forschung ein gro\u00dfer Durchbruch .<\/p>\n

Das Emittieren von Licht aus Silizium ist seit Jahrzehnten der “Heilige Gral” der Mikroelektronikindustrie. Forschern der Technischen Universit\u00e4t Eindhoven ist es nun gemeinsam mit Kollegen der Universit\u00e4ten Jena, Linz und M\u00fcnchen gelungen, genau das zu erreichen: Sie haben eine Legierung mit Silizium entwickelt, die Licht emittieren kann. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature<\/em> ver\u00f6ffentlicht<\/a>. Das Team ist nun dabei einen Silizium-Laser herzustellen, der in modernen Chips integriert werden soll.<\/p>\n

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Ein Blick ins Innere der Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). Dieses Ger\u00e4t wurde genutzt, um die Nanodr\u00e4hte mit hexagonalen Silizium-Germanium-H\u00fcllen zu z\u00fcchten. Foto: Nando Harmsen, TU\/e.<\/figcaption><\/figure>\n

W\u00e4rme<\/h3>\n

Jedes Jahr produzieren und verwenden wir deutlich mehr Daten. Aber unsere derzeitige Technologie, die auf elektronischen Chips basiert, st\u00f6\u00dft an ihre Grenzen. Der begrenzende Faktor ist die W\u00e4rme, die durch den Widerstand der Elektronen freigesetzt wird. Dieser Widerstand entsteht, wenn die Elektronen durch die Kupferleitungen str\u00f6men, die die vielen Transistoren auf einem Chip verbinden. Wenn wir weiterhin jedes Jahr immer mehr Daten \u00fcbertragen wollen, brauchen wir eine neue Technik, die keine W\u00e4rme erzeugt. Die Photonik bietet eine L\u00f6sung, denn diese Methode verwendet Photonen (Lichtteilchen) zur Daten\u00fcbertragung.<\/p>\n

Im Gegensatz zu Elektronen erfahren Photonen keinen Widerstand. Da sie keine Masse oder Ladung haben, streuen sie weniger in dem Material, das sie durchqueren. Deshalb erzeugen sie keine W\u00e4rme und der Energieverbrauch wird gesenkt. Dar\u00fcber hinaus kann durch den Ersatz der elektrischen durch optische Kommunikation innerhalb eines Chips die Geschwindigkeit der Kommunikation innerhalb des Chips wie auch zwischen den Chips um den Faktor 1000 erh\u00f6ht werden. Rechenzentren profitieren davon am meisten, durch schnelleren Datentransfer und geringeren Energieverbrauch f\u00fcr ihr K\u00fchlsystem. Aber die photonischen Chips bringen auch ganz neue Anwendungen in Reichweite. Man denke an ein Radar mit Laser f\u00fcr selbstfahrende Autos und chemische Sensoren zur medizinischen Diagnose oder zur Messung der Luft- und Lebensmittelqualit\u00e4t.<\/p>\n

Lesen Sie hier mehr \u00fcber die Anwendungen der Photonik.<\/em><\/a><\/p>\n

Silizium billiger als Galliumarsenid und Indiumphosphid<\/h3>\n

Um Licht in Chips zu verwenden, ben\u00f6tigen Sie eine Lichtquelle; einen integrierten Laser. Das wichtigste Halbleitermaterial, aus dem Computerchips heute hergestellt werden, ist Silizium. Aber Silizium ist extrem ineffizient beim Aussenden von Licht. Deshalb dachte man lange Zeit, dass es in der Photonik keine Rolle spielen w\u00fcrde. Die Wissenschaftler haben sich daher auf komplexere Halbleiter wie Galliumarsenid und Indiumphosphid konzentriert. Diese emittieren zwar gut Licht, sind aber teurer als Silizium und lassen sich nur schwer in bestehende Silizium-Mikrochips integrieren.<\/p>\n

Um einen vollwertigen Silizium-Laser herzustellen, mussten die Wissenschaftler eine Form von Silizium finden, die Licht emittieren kann. Genau das ist den Forschern der Technischen Universit\u00e4t Eindhoven jetzt gelungen. Gemeinsam mit Forschern der Universit\u00e4ten Jena, Linz und M\u00fcnchen kombinierten sie Silizium und Germanium in einer hexagonalen Kristallstruktur, die Licht emittieren kann.<\/p>\n

Sechseckige Struktur<\/h3>\n

“Die Krux liegt in der Natur der so genannten ‘Bandl\u00fccke’ eines Halbleiters”, sagt der leitende Forscher Erik Bakkers von der TU\/e in Eindhoven. “Wenn ein Elektron vom Leitungsband in das Valenzband ‘f\u00e4llt’, sendet ein Halbleiter ein Photon aus: Licht”. Wenn sich das Leitungsband und das Valenzband nicht direkt gegen\u00fcberliegen, was als indirekte Bandl\u00fccke bezeichnet wird, k\u00f6nnen keine Photonen emittiert werden – wie es bei Silizium der Fall ist. “Eine 50 Jahre alte Theorie zeigte jedoch, dass mit Germanium legiertes Silizium, das in einer hexagonalen Struktur geformt ist, eine direkte Bandl\u00fccke hat und daher m\u00f6glicherweise Licht emittieren kann”, sagt Bakkers.<\/p>\n

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Erstautorin Elham Fadaly kontrolliert die Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (MOVPE). Foto: Sicco van Grieken, SURF<\/figcaption><\/figure>\n

Die Umformung von Silizium in eine hexagonale Struktur ist jedoch nicht einfach. Da Bakkers und sein Team die Technik des Z\u00fcchtens von Nanodr\u00e4hten beherrschen, konnten sie 2015 hexagonales Silizium herstellen. Sie erzielten reines hexagonales Silizium, indem sie zun\u00e4chst Nanodr\u00e4hte aus einem anderen Material mit einer hexagonalen Kristallstruktur z\u00fcchteten. Dann z\u00fcchteten sie auf dieser Schablone eine Silizium-Germanium-H\u00fclle. Elham Fadaly, eine der beiden Verfasserinnen der Nature<\/em>-Ver\u00f6ffentlichung, erkl\u00e4rt: “Als wir die Siliciumatome auf der hexagonalen Schablone wachsen lie\u00dfen, konnten wir feststellen, dass sie ebenfalls eine hexagonale Kristallstruktur bildeten”.<\/p>\n

Aber das hexagonale Silizium war damals noch nicht in der Lage, Licht auszusenden. 2015 ist es Bakkers Team jedoch gelungen, die Qualit\u00e4t des hexagonalen Siliciumgermaniums zu erh\u00f6hen, indem die Zahl der Verunreinigungen und Kristalldefekte reduziert wurde. Durch Bestrahlung des Nanodrahtes mit einem Laser konnte dann die Effizienz des neuen Materials gemessen werden. Alain Dijkstra, Mitautor des Artikels und verantwortlich f\u00fcr die Messung der Lichtemission: “Unsere Experimente zeigten, dass das Material die richtige Struktur hat und dass es frei von Fehlern ist. Es strahlt sehr effizient Licht ab”.<\/p>\n

Noch in diesem Jahr ein Silizium-Laser<\/h3>\n

Die Herstellung eines Lasers ist jetzt nur noch eine Frage der Zeit, so Bakker. “Inzwischen haben wir optische Eigenschaften erreicht, die mit denen von Indiumphosphid und Galliumarsenid nahezu vergleichbar sind. Dar\u00fcber hinaus hat sich die Qualit\u00e4t der Materialien stark verbessert. Wenn alles gut geht, werden wir in der Lage sein, bis 2020 einen Laser auf Siliziumbasis herzustellen. Damit wird es m\u00f6glich sein, optische Funktionalit\u00e4t in die dominante Elektronikplattform zu integrieren. Dies wird die Perspektiven f\u00fcr optische Kommunikation auf dem Chip und erschwingliche chemische Sensoren auf Basis der Spektroskopie<\/a> er\u00f6ffnen”.<\/p>\n

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