Siliciumchip med integreret laser:Lys fra en nanotråd

Fysikere ved det tekniske universitet i München (TUM) har udviklet en nanolaser, tusind gange tyndere end et menneskehår. Takket være en genial proces, nanotrådslaserne vokser lige på en siliciumchip, gør det muligt at producere højtydende fotoniske komponenter omkostningseffektivt. Dette vil bane vejen for hurtig og effektiv databehandling med lys i fremtiden.

Stadig mindre, stadig hurtigere, stadig billigere - siden starten af ​​computeralderen er processorernes ydeevne i gennemsnit fordoblet hver 18. måned. 50 år siden allerede, Intels medstifter Gordon E. Moore forudsagde denne forbløffende vækst i ydeevne. Og Moores lov ser ud til at holde stik den dag i dag.

Men miniaturiseringen af ​​elektronik er nu ved at nå sine fysiske grænser. "Allerede i dag, transistorer er kun et par nanometer store. Yderligere reduktioner er uhyggeligt dyre, " siger professor Jonathan Finley, Direktør for Walter Schottky Institute ved TUM. "Forbedring af ydeevnen kan kun opnås ved at erstatte elektroner med fotoner, dvs. lyspartikler."

Fotonik - miniaturiseringens sølvkugle

Datatransmission og -behandling med lys har potentialet til at bryde barriererne for den nuværende elektronik. Faktisk, de første silicium-baserede fotonikchips eksisterer allerede. Imidlertid, lyskilderne til transmission af data skal være knyttet til silicium i komplicerede og omstændelige fremstillingsprocesser. Forskere rundt om i verden leder således efter alternative tilgange.

Forskere ved TU München er nu lykkedes med denne bestræbelse:Dr. Gregor Koblmüller ved Institut for Semiconductor Quantum-Nanosystems har, i samarbejde med Jonathan Finley, udviklet en proces til at afsætte nanolasere direkte på siliciumchips. Et patent på teknologien er under behandling.

At dyrke en III-V-halvleder på silicium kræver ihærdige eksperimenter. "De to materialer har forskellige gitterparametre og forskellige termiske udvidelseskoefficienter. Dette fører til belastning, " forklarer Koblmüller. "F.eks. konventionel plan vækst af galliumarsenid på en siliciumoverflade resulterer derfor i et stort antal defekter."

TUM-teamet løste dette problem på en genial måde:Ved at deponere nanotråde, der er fritstående på silicium, er deres fodaftryk blot nogle få kvadratiske nanometer. Forskerne kunne således udelukke, at der opstår defekter i GaAs-materialet.

Atom for atom til en nanotråd

Men hvordan forvandler man en nanotråd til en laser med lodret hulrum? For at generere sammenhængende lys, fotoner skal reflekteres i toppen og bunden af ​​ledningen, derved forstærker lyset, indtil det når den ønskede tærskel for lasering.

For at opfylde disse betingelser, forskerne skulle udvikle en enkel, men alligevel sofistikeret løsning:"Grænsefladen mellem galliumarsenid og silicium reflekterer ikke lyset tilstrækkeligt. Vi indbyggede således et ekstra spejl - et 200 nanometer tykt siliciumoxidlag, som vi fordampede på siliciumet, " forklarer Benedikt Mayer, ph.d.-kandidat i teamet ledet af Koblmüller og Finley. "Små huller kan derefter ætses ind i spejllaget. Ved hjælp af epitaksi, halvleder nanotrådene kan så dyrkes atom for atom ud af disse huller."

Først når ledningerne stikker ud over spejlets overflade, kan de vokse sideværts - indtil halvlederen er tyk nok til at tillade fotoner at stråle frem og tilbage for at tillade stimuleret emission og lasering. "Denne proces er meget elegant, fordi den giver os mulighed for at placere nanotrådlaserne direkte også på bølgeledere i siliciumchippen, " siger Koblmüller.

Grundlæggende forskning om vejen til ansøgninger

I øjeblikket, de nye galliumarsenid nanotrådlasere producerer infrarødt lys ved en foruddefineret bølgelængde og under pulserende excitation. "I fremtiden ønsker vi at modificere emissionsbølgelængden og andre laserparametre for bedre at kontrollere temperaturstabilitet og lysudbredelse under kontinuerlig excitation i siliciumchipsene, " tilføjer Finley.

Holdet har netop offentliggjort sine første succeser i denne retning. Og de har rettet blikket mod deres næste mål:"Vi ønsker at skabe en elektrisk grænseflade, så vi kan betjene nanotrådene under elektrisk indsprøjtning i stedet for at stole på eksterne lasere, " forklarer Koblmüller.

"Arbejdet er en vigtig forudsætning for udviklingen af ​​højtydende optiske komponenter i fremtidige computere, " opsummerer Finley. "Vi var i stand til at demonstrere, at fremstilling af siliciumchips med integrerede nanotrådlasere er muligt."