Germanium-Zinn-Laser für die Silizium-Integration

Auf dem Weg zu einem Silizium-kompatiblen Halbleiter-Laser haben Jülicher Forscher ein Laser-Medium aus Germanium und Zinn entwickelt, um es direkt im Zuge des CMOS-Prozesses in einem Silizium-Chip zu integrieren. Das patentierte Jülicher Verfahren nutzen inzwischen mehrere Forschungsgruppen weltweit.

Die optische Datenübertragung ist bekanntermaßen wesentlich schneller als die konventionell elektrische mit Transistoren. Daher suchen Forscher schon lange nach der Möglichkeit, einen Laser direkt in einen Silizium-Halbleiter zu integrieren. Nun sind Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich einen Schritt weitergekommen: Gemeinsam mit Forschern des Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) in Paris und dem französischen Unternehmen STMicroelectronics sowie CEA-LETI Grenoble haben sie einen Silizium-Chip-kompatiblen Halbleiter-Laser aus Germanium und Zinn entwickelt, der von der Effizienz her bereits mit herkömmlichen GaAs Halbleiterlasern vergleichbar sei.

Datentransfer per Laser: der Anspruch

Die optische Datenübertragung ermöglicht deutlich höhere Datenraten und Reichweiten als gängige elektronische Verfahren, und benötigt gleichzeitig weniger Energie. In Rechen- und Datenzentren sind optische Leitungen daher bereits ab einer Länge von etwa 1 m Übertragungsdistanz Standard.

Für die Zukunft sind optische Lösungen aufgrund der stetig steigenden Anforderungen für immer kürzere Strecken gefragt, um Daten von Board zu Board oder Chip zu Chip zu übertragen. Dies trifft insbesondere für Systeme der künstlichen Intelligenz (KI) zu, beispielsweise für autonomes Fahren, wo große Datenmengen innerhalb eines großen Netzwerks mit Sensoren transferiert werden müssen, um den Chip und die Algorithmen zu trainieren.

„Was vorrangig fehlt, ist ein kostengünstiger Laser, der für das Erreichen sehr hoher Datenraten notwendig ist“, erklärt Prof. Detlev Grützmacher, Direktor am Peter Grünberg Institut (PGI-9) des Forschungszentrums Jülich, „ideal wäre ein elektrisch gepumpter Laser, der mit der Silizium-basierten CMOS-Technologie kompatibel ist. Einen solchen Laser könnte man dann einfach direkt bei der Chip-Fertigung ausformen, denn die gesamte Chip-Produktion beruht letztlich auf dieser Technologie.“

Silizium-Chips und III-V-Verbindungshalbleiter

Das Problem: Reines Silizium ist ein sogenannter indirekter Halbleiter und als Lasermaterial ungeeignet. Für den Bau von Lasern werden daher aktuell andere Materialien verwendet. In der Regel kommen sogenannte III-V-Verbindungshalbleiter zum Einsatz. Grützmacher erklärt die Schwierigkeit mit dem III-V-Halbleiter: „Deren Kristallgitter ist völlig anders aufgebaut als das von Silizium, das in die vierte Hauptgruppe des Periodensystems gehört. Laser-Bausteine werden daher bis jetzt extern produziert und müssen dann nachträglich kostspielig angebunden werden.“

Der neue Laser ist dagegen direkt im Zuge des CMOS-Prozesses herstellbar. Er basiert auf Germanium, das wie Silizium aus der vierten Hauptgruppe stammt. Bereits 2015 hatten Jülicher Forscher den Nachweis erbracht, dass sich durch die Beimischung von Zinn Laser-Licht erzeugen lässt. Entscheidend ist dabei der hohe Zinngehalt, damals betrug er über 8%, weit über der Löslichkeitsgrenze von 1%.

Dr. Dan Buca ist Arbeitsgruppenleiter am Peter Grünberg Institut (PGI-9) und erklärt dazu: „Reines Germanium ist wie Silizium von Natur aus ein indirekter Halbleiter. Erst die hohe Zinnkonzentration sorgt dafür, dass daraus ein direkter Halbleiter für eine Laser-Quelle wird.“

Durch eine weitere Erhöhung der Zinnkonzentration konnten bereits Laser realisiert werden, die nicht nur bei tiefen Temperaturen, sondern auch bei Raumtemperatur funktionieren (CEA-LETI Grenoble). Das patentierte Jülicher Verfahren wird mittlerweile von mehreren Forschungsgruppen auf der ganzen Welt genutzt.

Den Wermutstropfen nennt Nils von den Driesch, wissenschaftlicher Mitarbeiter am PGI-9: „Ein hoher Zinngehalt mindert allerdings die Effizienz. Der Laser benötigt dann eine recht hohe Pumpleistung. Bei 12 bis 14 Prozent Zinn sind 100 bis 300 kW/cm² notwendig. Wir haben daher versucht, die Zinnkonzentration zu reduzieren, indem wir das Material zusätzlich verspannen, wodurch sich die optischen Eigenschaften noch deutlich verbessern lassen.“

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Für den neuen Laser haben die Forscher nun den Zinngehalt auf rund 5% heruntergeschraubt und die benötigte Pumpleistung auf 0,8 kW/cm² reduziert. Dabei entstehe so wenig Abwärme, dass sich der Laser als erster Gruppe-IV-Halbleiter-Laser nicht nur gepulst, sondern auch kontinuierlich im sogenannten Dauerstrich betreiben lasse.

Institutsdirektor Detlev Grützmacher: „Diese Werte demonstrieren, dass ein Germanium-Zinn-Laser technologisch machbar ist, der von der Effizienz her dem Niveau gängiger III-V-Halbleiter-Laser entspricht. Damit scheint jetzt auch ein Laser für die industrielle Anwendung in Reichweite, der bei Raumtemperatur funktioniert.“ In Reichweite deshalb, weil die Funktion des neuen Lasers derzeit noch auf optische Anregung und tiefe Temperaturen im Bereich von –200 bis –170 °C beschränkt ist.

Interessante Perspektiven für die Anwendung

Ein solcher Laser wäre nicht nur für die optische Übertragung von Daten, sondern auch für vielfältige andere Anwendungen interessant. Denn für die entsprechenden Wellenlängen im nahen Infrarotbereich zwischen 2 und 4 µm gibt es bis jetzt kaum kostengünstige Alternativen. Potenzielle Anwendungen reichen von Infrarot- und Nachtsicht-Systemen bis hin zu Gassensoren für die Infrarot-Spektroskopie zur Überwachung von Umwelt- und Atemgasen in der Klimaforschung und Medizin.

Und so funktioniert ein Laser

In einem Laser (engl. light amplification by stimulated emission of radiation) wird dem Laser-Medium durch einen Pumpprozess Energie zugeführt. Das Pumpen kann optisch durch Einstrahlung von Licht oder elektrisch erfolgen, wobei die notwendige Pumpleistung je nach Laser stark variieren kann. Die angeregten Elektronen werden so auf ein höheres metastabiles Energieniveau gepumpt. Diese Zustände sollen möglichst lange anhalten, sodass eine Besetzungsinversion aufgebaut werden kann, bei der sich eine Vielzahl der Atome oder Moleküle im angeregten Zustand befindet.

Sobald einer der angeregten Zustände in seinen Grundzustand zurückfällt, wird ein Photon ausgesendet. Trifft dieses Photon auf andere angeregte Zustände, dann werden diese ebenfalls dazu angestoßen, in ihren Grundzustand zurückzufallen und dabei ein zusätzliches Photon zu emittieren.

Diesen Vorgang nennt man stimulierte Emission. Durch diese Verdoppelung des stimulierenden Photons wirkt das Laser-Medium wie ein Lichtverstärker. Das „frisch entstandene“ zweite Photon regt dann seinerseits andere angeregte Atome oder Moleküle zur Ausstrahlung an. Es kommt zu einer Kettenreaktion, bei der sich eine stehende Welle zwischen den beiden Spiegeln an den Seiten des Lasermediums ausbildet, wobei auf der einen Seite, durch den halbdurchlässigen Spiegel, Laserstrahlung austritt.

Originalpublikation: Ultra-low threshold continuous-wave and pulsed lasing in tensile strained GeSn alloys Anas Elbaz, Dan Buca, Nils von den Driesch, Konstantinos Pantzas, Gilles Patriarche, Nicolas Zerounian, Etienne Herth, Xavier Checoury, Sébastien Sauvage, Isabelle Sagnes, Antonino Foti, Razvigor Ossikovski, Jean-Michel Hartmann, Frédéric Boeuf, Zoran Ikonic, Philippe Boucaud, Detlev Grützmacher, Moustafa El Kurdi. Nature Photonics (veröffentlicht online 16. März 2020).

Die Forschung wurde unter anderem durch das Projekt SiGeSn Laser for Silicon Photonics der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.

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