Laser für Siliziumchips

Jülicher Forscher integrieren Laser in den CMOS-Herstellungsprozesses

| Redakteur: Ulrike Ostler

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Germanium-Zinn-Lasers (links). Die wenige Mikrometer breite Germanium-Zinn-Schicht wird auf eine so genannte Stressorschicht aus Siliziumnitrid und einen Aluminiumsockel zur besseren Wärmeableitung aufgebracht und anschließend mit Siliziumnitrid ummantelt (rechts). Durch die Orientierung der Germamium-Zinn-Verbindung an den weiteren Atomabständen im Kristallgitter des Silizium-Nitrids entsteht eine Verspannung im eingebetteten Material, die im Endeffekt eine optische Verstärkung bewirkt.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Germanium-Zinn-Lasers (links). Die wenige Mikrometer breite Germanium-Zinn-Schicht wird auf eine so genannte Stressorschicht aus Siliziumnitrid und einen Aluminiumsockel zur besseren Wärmeableitung aufgebracht und anschließend mit Siliziumnitrid ummantelt (rechts). Durch die Orientierung der Germamium-Zinn-Verbindung an den weiteren Atomabständen im Kristallgitter des Silizium-Nitrids entsteht eine Verspannung im eingebetteten Material, die im Endeffekt eine optische Verstärkung bewirkt. (Bild: Forschungszentrum Jülich / Nils von den Driesch)

Transistoren in Computerchips arbeiten elektrisch, doch übermitteln lassen sich die Daten schneller mit Licht. Schon lange suchen Forscher daher nach einem Weg, einen Laser direkt in Siliziumchips zu integrieren.

Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben gemeinsam mit Forschern des Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) in Paris und dem französischen Unternehmen STMicroelectronics sowie CEA-LETI Grenoble einen kompatiblen Halbleiterlaser aus Germanium und Zinn entwickelt, der von der Effizienz her mit herkömmlichen GaAs Halbleiterlasern vergleichbar ist.

Der Sinn des Ganzen: 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 einem Meter Standard (siehe: eBook „Silicon Photonics“).

eBook „Silicon Photonics“

5G als Turbo für die Datacenter-BrancheDurch die optische Technologie ergeben sich neue Möglichkeiten, bezüglich der Architektur für Hochleistungsrechner und Rechenzentren. Zudem wächst der Gesamtmarkt für Photonics steti;, Analysten erwarten einen Zuwachs um nahezu 15 Milliarden Dollar bis 2024. (PDF | ET 10.03.2020)


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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 Algorithmen zu trainieren.

Professor Detlev Grützmacher, Direktor am Peter Grünberg Institut (PGI-9) des Forschungszentrums Jülich, führt aus: „Was vorrangig fehlt, ist ein kostengünstiger Laser, der für das Erreichen sehr hoher Datenraten notwendig ist. 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.“

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Wo ist das Problem?

Das Problem: Reines Silizium ist ein so genannter indirekter Halbleiter und als Lasermaterial ungeeignet. Für den Bau von Lasern werden daher aktuell andere Materialien verwendet. In der Regel kommen so genannte III-V-Verbindungshalbleiter zum Einsatz.

„Deren Kristallgitter ist jedoch 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“, erläutert Grützmacher.

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 Laserlicht erzeugen lässt. Entscheidend ist dabei der hohe Zinngehalt, damals betrug er über 8 Prozent, weit über der Löslichkeitsgrenze von 1 Prozent.

Die andere Zusammensetzung

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

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

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 Kilowatt pro Quadratzentimeter (kW/cm2) notwendig“, so Nils von den Driesch. „Wir haben daher versucht, die Zinnkonzentration zu reduzieren, indem wir das Material zusätzlich verspannen, wodurch sich die optischen Eigenschaften noch deutlich verbessern lassen.“

Der neue Laser

Für den neuen Laser haben die Forscher den Zinngehalt auf rund 5 Prozent heruntergeschraubt – und die benötigte Pumpleistung auf 0,8 kW/cm2 reduziert. Dabei entsteht so wenig Abwärme, dass sich der Laser als erster Gruppe-IV-Halbleiterlaser nicht nur gepulst, sondern auch kontinuierlich im so genannten Dauerstrich betreiben lässt.

„Diese Werte demonstrieren, dass ein Germanium-Zinn-Laser technologisch machbar ist, der von der Effizienz her dem Niveau gängiger III-V-Halbleiterlaser entspricht. Damit scheint jetzt auch ein Laser für die industrielle Anwendung in Reichweite, der bei Raumtemperatur funktioniert“, erklärt Institutsdirektor Grützmacher. Denn die Funktion des neuen Lasers ist momentan noch auf optische Anregung und tiefe Temperaturen im Bereich von - 200 bis - 170 Grad Celsius beschränkt.

Anwendungen außerhalb des Rechenzentrums

Ein solcher Laser wäre nicht 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 Mikrometern 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.

Hinweis: Die ursprüngliche Veröffentlichung „Ultra-low threshold continuous-wave and pulsed lasing in tensile strained GeSn alloys“ von 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 fand in „Nature Photonics am 16 März 2020 statt: , 10.1038/s41566-020-0601-5 statt.

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