Erfindung einer leuchtenden Legierung aus Silizium und Germanium! Die Herstellung photonischer Chips wird Computer revolutionieren!

[Mobile Software: BoKeYuan] Wenn Computer zur Datenübertragung Photonen statt Elektronen verwenden, sind ihre Leistung besser und sie verbrauchen weniger Strom. Wissenschaftler arbeiten derzeit an einer neuen leuchtenden Legierung aus Silizium und Germanium, um photonische Chips zu entwickeln, die die Computer revolutionieren werden. Photonen, die Teilchen, aus denen Licht besteht, haben Elektronen bei der Datenübertragung in Kommunikationsnetzwerken weitgehend ersetzt. Die hohe Bandbreite optischer Signale hat zu einem enormen Wachstum der Telefonsysteme, des Fernsehens und des Internets geführt. Allerdings haben Photonen die Elektronen in Computern noch nicht ersetzt.

Die Verwendung von Licht zur Datenübertragung zwischen Prozessorchips und deren Verbindungen würde die Geschwindigkeit von Computern dramatisch steigern (die Kommunikation innerhalb und zwischen Chips könnte um den Faktor 1.000 beschleunigt werden) und gleichzeitig den Energieverbrauch senken. Moderne Mikroprozessorchips können mehrere zehn Milliarden Transistoren enthalten und ihre elektrischen Kupferverbindungen erzeugen im Betrieb eine Menge Wärme. Im Gegensatz zu Photonen haben Elektronen Masse und elektrische Ladung. Wenn sie durch Metall- oder Halbleitermaterialien fließen, werden sie an den Silizium- und Metallatomen gestreut, wodurch diese vibrieren und Wärme erzeugen. Daher wird der größte Teil der dem Mikroprozessor zugeführten Energie verschwendet.

Die Herausforderung, Licht aus Silizium zu erzeugen

Die Elektronikindustrie bereitet sich aufgrund der besseren elektronischen Eigenschaften und Verfügbarkeit des Materials auf den Einsatz in Computerchips vor. Es ist ein sehr guter Halbleiter und ein häufig vorkommendes Element und wie Siliziumoxid ist es auch ein Bestandteil von Glas und Sand. Aufgrund seiner Kristallstruktur kann Silizium Licht jedoch nicht besonders gut verarbeiten. Beispielsweise kann es keine Photonen erzeugen oder ihren Fluss zur Datenverarbeitung steuern. Wissenschaftler haben lichtemittierende Materialien wie Galliumarsenid und Indiumphosphid untersucht, doch ihre Verwendung in Computern bleibt begrenzt, da sie sich nicht gut in die aktuelle Siliziumtechnologie integrieren lassen.

Optoelektronische Chips

Wissenschaftler aus Europa haben in der Zeitschrift Nature eine neue Legierung aus Silizium und Germanium veröffentlicht, die optisch aktiv ist. „Dies ist der erste Schritt“, sagte Jos Haverkort, Physiker an der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden. „Wir haben gezeigt, dass sich dieses Material sehr gut zur Lichtemission eignet und mit Silizium kompatibel ist.“ Der nächste Schritt ist die Entwicklung eines Silizium-kompatiblen Lasers, der in elektronische Schaltkreise integriert und als Lichtquelle für optoelektronische Chips eingesetzt werden soll. Dies ist das ultimative Ziel des SILAS-Projekts, das vom EU-FET-Programm unterstützt wird.

Das Forschungsteam wurde von Erik Bakkers von der Universität Eindhoven geleitet und umfasste auch Forscher der Universitäten Jena und München in Deutschland, der Universität Linz in Österreich, der Universität Oxford in Großbritannien und der IBM University in der Schweiz. Um den Laser zu erzeugen, kombinierten die Wissenschaftler Silizium und Germanium in einer hexagonalen Struktur, die Licht aussenden kann und damit die Nachteile von Silizium überwindet, bei dem die Atome in Form eines Würfels angeordnet sind. Es war ein schwieriges Projekt und erste Versuche, Silizium durch die Abscheidung von Siliziumatomen auf einer hexagonalen Germaniumschicht zu einer hexagonalen Struktur zu bewegen, schlugen fehl.

Jonathan Finley von der Technischen Universität München erklärt: „Wenn Silizium auf planarem hexagonalem Germanium wächst, weigert es sich hartnäckig, seine kubische Struktur zu verändern. Finley konnte dieses ungewöhnliche Wachstum von Silizium-Germanium durch Messung der optischen Eigenschaften der resultierenden Siliziumproben nachvollziehen. Im Laufe der Jahre hatte das Eindhovener Team jedoch Fachwissen im Züchten von Nanoröhren entwickelt und gelangte zu der Schlussfolgerung, dass das, was auf einer flachen Germaniumoberfläche nicht funktionierte, auf der gekrümmten Oberfläche einer Nanoröhre funktionieren könnte. Und dieses Mal war das Problem gelöst.

Dabei kamen Galliumarsenid-Nanodrähte zum Einsatz, die eine hexagonale Struktur aufweisen, also einen sechseckigen Stamm, und die Forscher schufen eine Siliziumhülle um den Kern, die ebenfalls eine hexagonale Struktur aufweist. Durch Variation der auf den Nanoröhren abgelagerten Silizium- und Germaniummengen stellten die Forscher fest, dass die hexagonale Legierung Licht emittieren konnte, wenn die Germaniumkonzentration 65 Prozent überstieg. Der nächste Schritt besteht darin, die Laserwirkung zu demonstrieren, also zu bestimmen, wie gut die Silizium-Germanium-Legierung Licht verstärkt und als Laserlicht aussendet, und dies zu messen.

Bevor Siliziumgermanium vollständig in siliziumbasierte Elektronik integriert werden kann, müssen noch mehrere Fragen geklärt werden: Erstens müssen die Geräte in bestehende Technologien integriert werden, was nach wie vor eine Hürde darstellt. Es wird erwartet, dass zukünftige Quantencomputer Anwendungen wie kostengünstige LEDs auf Siliziumbasis, Faserlaser, Lichtsensoren und lichtemittierende Quantenpunkte nutzen werden. Insgesamt wird der Übergang von der elektrischen zur optischen Kommunikation Innovationen in vielen Bereichen vorantreiben, von Lidar für autonomes Fahren bis hin zu Sensoren für die medizinische Diagnostik oder die Echtzeit-Erkennung von Luftverschmutzung.