Nanolaser für Informationstechnologie

Tausend Mal dünner als ein Haar: Physiker an der Technischen Universität München (TUM) haben einen neuen Nanolaser entwickelt. Dank eines komplexen Verfahrens wächst der Nanodraht-Laser direkt auf Silizium-Chips. Leistungsfähige photonische Bauelemente lassen sich dadurch kostengünstig herstellen. Eine Grundvoraussetzung für schnelle und effiziente Datenverarbeitung mit Licht ist geschaffen.

Seit Beginn des Computerzeitalters verdoppelt sich die Leistung von Prozessoren durchschnittlich alle 18 Monate. Doch die Miniaturisierung der Elektronik stößt an physikalische Grenzen. „Schon heute sind Transistoren nur noch einige Nanometer groß. Reduziert man die Abmessungen noch weiter, steigen die Kosten massiv“, sagt Professor Jonathan Finley, Leiter des Walter-Schottky-Instituts der TUM. „Eine Steigerung der Leistung ist nur realisierbar, wenn man Elektronen durch Photonen, also Lichtteilchen, ersetzt.“

Photonik zur Miniaturisierung

Erste Photonik-Chips aus Silizium gibt es bereits. Doch diese Lichtquellen für die Informationsübertragung herzustellen ist kompliziert und aufwendig. Daher suchen Forscher nach alternativen Methoden.

Der Durchbruch ist jetzt an der TU München gelungen: Dr. Gregor Koblmüller vom Lehrstuhl für Halbleiter Quanten-Nanosysteme hat zusammen mit Jonathan Finley ein Verfahren entwickelt, Nanodrahtlaser direkt auf Silizium-Chips abzuscheiden. Die Technologie wurde bereits zum Patent angemeldet.

Die Verbindung eines III-V Halbleiters mit Silizium erforderte einiges an Tüftelarbeit. Die Nanodrähte stehen aufrecht auf dem Silizium, die Grundfläche beträgt dadurch nur noch einige Quadratnanometer. Mögliche Defekte beim Verbinden können die Wissenschaftler so weitestgehend vermeiden.

Atom für Atom zum Nanodraht

Wie wird ein Nanodraht zum Laser? Um kohärentes Licht zu erzeugen, müssen die Photonen am oberen und unteren Ende des Drahts reflektiert werden, wodurch sich der Lichtpuls verstärkt, bis er die gewünschte Leistung erreicht hat.

Weil die Grenze zwischen Galliumarsenid und Silizium aber nicht genügend Licht reflektiert, musste ein Extra-Spiegel eingebaut werden – eine 200 Nanometer dünne Siliziumoxid-Schicht, die auf das Silizium aufgedampft wird. In die Schicht werden feine Löcher eingeätzt, wo von den Forschern mittels Epitaxie Atom für Atom Halbleiter-Nanodrähte gezüchtet werden. Wenn die Drähte über die Spiegelfläche herausragen, dürfen sie in die Breite wachsen – solange bis der Halbleiter dick genug ist, damit Photonen in ihm hin und her flitzen und die Aussendung weiter Lichtteilchen anregen können.

Derzeit produzieren die neuen Galliumarsenid Nanodraht-Laser infrarotes Licht mit einer fest vorgegebenen Wellenlänge und unter gepulster Anregung. Finley: „Die Arbeiten sind eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung hochleistungsfähiger optischer Komponenten für zukünftige Computer. Wir konnten zeigen, dass eine Fertigung von Siliziumchips mit integrierten Nanodraht-Lasern möglich ist.“