Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme. [Forschungszentrum Jülich / Jhonny Tiscareno]
In den letzten Jahren hat die Silizium-Photonik bereits große Fortschritte erzielt. Schlüsselkomponenten wie Hochleistungsmodulatoren, Fotodetektoren und Wellenleiter konnten bereits erfolgreich monolithisch auf Siliziumchips integriert werden. Doch ein zentraler Baustein fehlte bislang: eine elektrisch gepumpte Lichtquelle, die ausschließlich auf Materialien der vierten Hauptgruppe basiert. Üblicherweise verwendete III-V-Halbleiter, die aus anderen Hauptgruppen stammen, lassen sich nur schwer mit Silizium kombinieren – ein Material, auf dem die gesamte Chipfertigung beruht. Das macht die Herstellung aufwändig und teuer. Der neue Laser schließt diese Lücke und gilt daher als das „letzte fehlende Puzzlestück“ der Silizium-Photonik. Da er mit der klassischen CMOS-Technologie kompatibel ist, kann er nahtlos in bestehende Siliziumprozesse integriert werden.
Der Laser basiert auf einer sogenannten Multi-Quantum-Well-Struktur, die aus ultradünnen Schichten aus Silizium-Germanium-Zinn und Germanium-Zinn besteht. Die Struktur wurde speziell an die Eigenschaften dieser Legierungen angepasst. Ergänzt durch eine neuartige Ring-Geometrie, minimiert sie den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung und ermöglicht so einen stabilen Dauerbetrieb bei 90 Kelvin.
Im Gegensatz zu früheren Germanium-Zinn-Lasern, die optisch gepumpt wurden und hohe Energien benötigten, arbeitet der neue Laser auch elektrisch. Dazu benötigt er gerade einmal eine Stromstärke von 5 Milliampere und eine Spannung von 2 Volt – vergleichbar mit einer Leuchtdiode. Auf Standard-Siliziumwafern gefertigt, ist dieser Laser damit der erste "wirklich nutzbare“ Laser aus Halbleitern der vierten Hauptgruppe.
Obwohl der Laser bereits einen bedeutenden Fortschritt darstellt, besteht weiterhin Optimierungsbedarf. Insbesondere gilt es, die Laserschwelle weiter zu senken und einen stabilen Betrieb bei Raumtemperatur zu ermöglichen. Frühere Germanium-Zinn-Laser, die zunächst nur optisch gepumpt wurden und für den Einsatz bei kryogenen Temperaturen geeignet waren, zeigen das Entwicklungspotenzial: Sie konnten mittlerweile erfolgreich für den Betrieb bei Raumtemperatur angepasst werden.
Ein optisch gepumpter Laser wird durch eine externe Lichtquelle angeregt, um das Laserlicht zu erzeugen. Bei einem elektrisch gepumpten Laser geschieht dies durch einen elektrischen Strom. Elektrisch gepumpte Laser sind in der Regel energieeffizienter, da sie Strom direkt in Laserlicht umwandeln.
Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Dan Buca am PGI-9 des Forschungszentrums Jülich leistet seit Jahren Pionierarbeit auf dem Gebiet Zinn-basierter Gruppe-IV-Legierungen. In enger Zusammenarbeit mit Partnern wie dem IHP, der Universität Stuttgart, CEA-Leti, C2N-Université Paris-Sud und dem Politecnico di Milano haben die Forschenden bereits das Potenzial dieser Materialsysteme für Anwendungen in der Photonik, Elektronik, Thermoelektrik und Spintronik demonstriert. Mit der Entwicklung des neuen Lasers rückt die Vision einer vollständig integrierten Silizium-Photonik als All-in-One-Lösung für die nächste Generation von Mikrochips in greifbare Nähe.
Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.