idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
Science Video Project
idw-Abo

idw-News App:

AppStore

Google Play Store



Instance:
Share on: 
04/08/2020 17:00

Durchbruch für Photonik-Chips: Licht emittierende Silizium-Germanium-Legierungen

Dr. Ulrich Marsch Corporate Communications Center
Technische Universität München

    Seit 50 Jahren suchen Forschende in aller Welt nach einer Möglichkeit, Laser aus Silizium oder Germanium zu bauen. Einem Team der Technischen Universität Eindhoven (TU/e) und der Technischen Universität München (TUM) ist es nun gelungen, eine Legierung aus Germanium und Silizium zu entwickeln, die Licht emittieren kann. Einen Siliziumlaser zu entwickeln, der in aktuelle Chips integriert werden kann, rückt damit erstmalig in greifbare Nähe.

    Elektronische Chips heizen sich auf, wenn Daten übertragen werden. Der Laptop auf den Knien wird warm; Rechenzentren benötigen Kühlaggregate mit Megawatt-Leistung. Abhilfe schaffen könnte die Photonik, denn Lichtpulse erzeugen keine Abwärme.

    Seit 50 Jahren bemüht sich die Forschung daher, Laser aus Silizium oder Germanium zu bauen. Bisher vergeblich. Silizium, das Arbeitspferd der Chip-Industrie, kristallisiert normalerweise in einem kubischen Kristallgitter. In dieser Form ist es für die Umwandlung von Elektronen in Licht nicht geeignet.

    Zusammen mit Kolleginnen und Kollegen der Technischen Universität München sowie der Universitäten in Jena und Linz ist es Forschenden der Technischen Universität Eindhoven nun gelungen, Legierungen aus Germanium und Silizium zu entwickeln, die Licht emittieren können.

    Entscheidend dafür war es, Germanium und Legierungen aus Germanium und Silizium mit hexagonalem Kristallgitter zu erzeugen. „Dieses Material hat eine direkte Bandlücke und kann daher selbst Licht erzeugen“, sagt Prof. Jonathan Finley, Professor für Halbleiter-Nanostrukturen und -Quantensysteme an der TU München.

    Der Trick mit dem Template

    Schon 2015 gelang es Prof. Erik Bakkers und seinem Team an der TU Eindhoven, hexagonales Silizium zu erzeugen. Dafür züchteten sie zunächst Nanodrähte aus einem anderen Material mit einer hexagonalen Kristallstruktur und überzogen diese mit einer Schicht aus Germanium und Silizium. Das darunter liegende Material zwang dabei auch der Germanium-Silizium-Legierung eine hexagonale Struktur auf.

    Doch die Strukturen ließen sich zunächst nicht zum Leuchten anregen. Im Austausch mit den Kollegen am Walter Schottky Institut der Technischen Universität München, die während der Optimierung Generation für Generation die optischen Eigenschaften analysierten, gelang es schließlich das Herstellungsverfahren so zu verbessern, dass die Nanodrähte schließlich tatsächlich Licht ausstrahlen konnten.

    „Inzwischen haben wir optische Eigenschaften erzielt, die fast mit Indiumphosphid oder Galliumarsenid vergleichbar sind“, sagt Bakkers. Einen Laser aus Germanium-Silizium-Legierungen zu bauen, der noch dazu in die gängigen Herstellungsprozesse integriert werden kann, erscheint damit nur noch eine Frage der Zeit.

    „Wenn wir die elektronische Kommunikation auf einem Chip und von Chip zu Chip optisch erledigen können, so kann das die Geschwindigkeit um einen Faktor von bis zu 1000 erhöhen, sagt Jonathan Finley. „Darüber hinaus könnten durch die direkte Kopplung von Optik und Elektronik Chips für laserbasiertes Radar für selbstfahrende Autos, für chemische Sensoren zur medizinischen Diagnose oder zur Messung der Luft- und Lebensmittelqualität dramatisch günstiger werden.“

    ###

    Das Forschungsprojekt wurde unterstützt aus Mitteln des EU-Projekts SiLAS, des Marie Sklodowska Curie-Programms der EU, der Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), der Solliance Initiative des Energy research Centre of the Netherlands (ECN), des Holst Centers, der TU/e, der Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk Onderzoek (TNO), des Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC), des Forschungszentrum Jülich und der niederländischen Provinz Nordbrabant. Das Deutsche Elektronen Synchrotron (DESY) Hamburg stellte Messzeit am Speicherring PETRA III zur Verfügung. Theoretische Berechnungen wurden auf dem SuperMUC Höchstleistungsrechner des Leibniz Supercomputing Center in Garching bei München.


    Contact for scientific information:

    Prof. Dr. Jonathan J. Finley
    Walter Schottky Institut und Physik-Department
    Technische Universität München
    Am Coulombwall 4, 85748 Garching
    Tel.: +49 89 289 12770 – E-Mail: jonathan.finley@wsi.tum.de


    Original publication:

    Direct Bandgap Emission from Hexagonal Ge and SiGe Alloys
    E. M. T. Fadaly, A. Dijkstra, J. R. Suckert, D. Ziss, M. A. J. v. Tilburg, C. Mao, Y. Ren, V. T. v. Lange, S. Kölling, M. A. Verheijen, D. Busse, C. Rödl, J. Furthmüller, F. Bechstedt, J. Stangl, J. J. Finley, S. Botti, J. E. M. Haverkort, E. P. A. M. Bakkers.
    Nature, 8. April 2020 – DOI: 10.1038/s41586-020-2150-y


    More information:

    https://www.nature.com/articles/s41586-020-2150-y Originalpublikum (sichtbar nach Ablauf der Sperrfrist)
    https://www.wsi.tum.de/views/groups.php?group=finley Homepage der Arbeitsgruppe von Prof. Finley
    https://www.tue.nl/en/research/researchers/erik-bakkers/ Homepage der Arbeitsgruppe von Prof. Bakkers
    https://www.silasproject.eu/ Website des SiLAS-Projekts


    Images

    Die Erstautoren Elham Fadaly (links) und Alain Dijkstra (rechts) mit ihrem Aufbau zur Messung des emittierten Lichts.
    Die Erstautoren Elham Fadaly (links) und Alain Dijkstra (rechts) mit ihrem Aufbau zur Messung des em ...
    Sicco van Grieken, SURF / TU/e
    None

    Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Sie könnten direkt in die gängigen Prozesse der Silizium-Halbleitertechnologie integriert werden.
    Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Si ...
    Elham Fadaly / TU/e
    None


    Criteria of this press release:
    Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars, Students, Teachers and pupils, all interested persons
    Chemistry, Electrical engineering, Energy, Information technology, Physics / astronomy
    transregional, national
    Research results, Scientific Publications
    German


     

    Die Erstautoren Elham Fadaly (links) und Alain Dijkstra (rechts) mit ihrem Aufbau zur Messung des emittierten Lichts.


    For download

    x

    Nanodrähte aus Germanium-Silizium-Legierung mit hexagonalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Sie könnten direkt in die gängigen Prozesse der Silizium-Halbleitertechnologie integriert werden.


    For download

    x

    Help

    Search / advanced search of the idw archives
    Combination of search terms

    You can combine search terms with and, or and/or not, e.g. Philo not logy.

    Brackets

    You can use brackets to separate combinations from each other, e.g. (Philo not logy) or (Psycho and logy).

    Phrases

    Coherent groups of words will be located as complete phrases if you put them into quotation marks, e.g. “Federal Republic of Germany”.

    Selection criteria

    You can also use the advanced search without entering search terms. It will then follow the criteria you have selected (e.g. country or subject area).

    If you have not selected any criteria in a given category, the entire category will be searched (e.g. all subject areas or all countries).