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Nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.
Für lange Strecken sind optische Signalwege längst Standard, weil diese im Vergleich zur elektrischen Übermittlung nur einen Bruchteil der Energie erfordern. Doch die bestehenden Lösungen sind kaum geeignet, Daten auf optischem Weg direkt auf dem Chip zwischen Prozessor und Speicher oder zwischen den Prozessorkernen eines Servers oder PCs hin und her zu bewegen. Die Materialien für Halbleiterlaser und -dioden, sogenannte III-V-Halbleiter, gehören anderen chemischen Hauptgruppen an als Silizium, aus dem Computerchips gefertigt werden. Daraus resultieren unterschiedliche Gitterstrukturen, die dazu führen, dass sich derartige Bauelemente nur sehr kostspielig und ineffizient integrieren lassen. Silizium und Germanium gehören dagegen zu den sogenannten indirekten Halbleitern. Aufgrund der energetischen Zustände der Elektronen, die quantenphysikalisch möglich sind, sind sie kaum in der Lage, Licht (Photonen) abzugeben oder aufzunehmen. Durch den Zusatz von Zinn verändern sich aber die elektronischen Eigenschaften des Kristalls. Die resultierende Verbindung wird zu einem direkten Halbleiter, der Photonen direkt und daher sehr effizient absorbieren und emittieren kann.
Weil Zinn wie Silizium und Germanium der vierten Hauptgruppe des Periodensystems angehört, lässt sich die Silizium-Germanium-Zinn-Diode (SiGeSn) direkt im Zuge der Chip-Produktion auf Silizium aufbringen. Die Wissenschaftler haben eine solche aus einem GeSn/SiGeSn-Schichtsystem hergestellt. Die Sandwich-Bauweise steigert die Effizienz, mit welcher der injizierte Strom in Licht umgewandelt wird. Über die schrittweise Veränderung des Silizium- und Zinn-Gehalts gelang es den Forschern zudem, die optische Wellenlänge in einem Bereich von 2 bis 2,6 µm anzupassen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Photodiode auch bei Raumtemperatur funktioniert. 

Bild: Sandwich-artiger Aufbau der SiGeSn-Diode: Steigerung der Effizienz, mit welcher injizierter Strom in Licht umgewandelt wird (Foto: Forschungszentrum Jülich)

www.fz-juelich.de

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