MIT: Laser auf Germanium-Basis für Chips

Forschern des Massachusetts Institute of Technology ist es erstmals gelungen, einen Laser auf Basis von Germanium herzustellen, der Licht in für optische Kommunikation nutzbaren Wellenlängen emittiert. Ein Novum für einen Germanium-Laser ist zudem, dass er bei Raumtemperatur arbeitet.

Da es sich bei Germanium um einen Halbleiter handelt, ließe sich der neue Laser im Vergleich zu den üblichen Materialien vergleichsweise einfach auf einen Siliziumchip integrieren, wo er zur optischen Kommunikation zwischen Kern und Cache bzw. RAM oder gar zum Rechnen mit Licht genutzt werden könnte. Eine optische Verbindung böte weiterhin den Vorteil einer höheren Bandbreite bei relativ geringem Energiebedarf. Erstaunlich ist auch, dass es sich bei Germanium – wie auch bei Silizium – um einen Halbleiter mit indirekter Bandlücke handelt, die die Forschung bislang als für Laser ungeeignet erachtete. Dies ist durch die physikalischen Eigenschaften von Materialien mit indirekter Bandlücke begründet:

Wenn angeregte Elektronen in Halbleiterkristallen vom Valenz- ins Leitungsband springen, nehmen sie das jeweils niedrigere von zwei möglichen Energieniveaus an. Von diesen Energieniveaus hängt nun aber ab, wie das Elektron seine überschüssige Energie beim Zurückfallen in das Valenzband wieder abgibt – entweder durch die Emission eines Photons oder zum Beispiel durch Wärme. Bei Materialien mit indirekter Bandlücke wie Germanium ist das Energieniveau, von dem Photonen emittiert werden, nun das höhere – sie eignen sich daher eher schlecht für Leuchtdioden. Bei Materialien mit direkter Bandlücke wie Galiumarsenid und anderen III-IV-Halbleitern ist hingegen das Energieniveau, von dem aus Photonen emittiert werden, das niedrigere – sie eignen sich daher zum Erzeugen von Licht. Um die angeregten Elektronen im Germanium nun dennoch in das höhere, Photonen emittierende Energieniveau springen zu lassen, wandten die Forscher zwei Methoden aus der Chipproduktion an.

Durch Dotierung mit Phosphor, der mit fünf an der Zahl ein Valenzelektron mehr als Germanium besitzt, wird das untere Energieniveau des Valenzbandes der Germaniumatome vom „überschüssigen“ Elektron des Phosphors besetzt, so dass angeregte Elektronen in das obere Energieniveau überspringen. Zusätzlich streckten sie das Germanium, indem sie es auf einer Siliziumschicht wachsen ließen. Dadurch sind die Abstände zwischen den Germaniumatomen etwas größer als normalerweise, was einen geringeren Abstand zwischen den beiden Energieniveaus zur Folge hat und die Wahrscheinlichkeit erhöhen soll, dass die Elektronen in das obere Energieniveau springen.

Die heutzutage für Laser in Kommunikationssystemen verwendeten Materialien wie Galiumarsenid haben gegenüber Germanium zwei entscheidende Nachteile: Neben den hohen Materialkosten spricht auch der Herstellungsprozess gegen sie, da sie zunächst separat hergestellt und anschließend auf die Chips aufgepfropft werden müssen, was Zeit kostet und die Kosten in die Höhe treibt. Die Integration von Germanium in den Produktionsprozess andererseits wird bereits jetzt von den meisten Herstellern (siehe Intel) genutzt, da sich dadurch Vorteile gegenüber reinen Siliziumchips ergeben. Mikroprozessoren mit Germaniumlasern wären daher relativ einfach und kosteneffizient zu realisieren. Bevor es soweit ist, ist allerdings noch weitere Forschungsarbeit nötig. Die Forscher suchen derzeit einen Weg, die Konzentration der Phosphoratome zu erhöhen, wovon sie sich eine höhere Energieeffizienz der Laser erhoffen.