Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Sandwichartiger Aufbau der SiGeSn-Diode, die womöglich zu neuartigen energieeffizienten Anwendungen für die optische On-Chip-Datenübertragung führt. Quelle: Forschungszentrum Jülich

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 selbst gehören dagegen zu den sogenannten indirekten Halbleitern. Aufgrund der energetischen Zustände der Elektronen, die quantenphysikalisch möglich sind, sind sie kaum in der Lage, Licht – oder genauer: Photonen – abzugeben oder aufzunehmen. Durch den Zusatz von Zinn verändern sich die elektronischen Eigenschaften des Kristalls. Die resultierende Verbindung wird zu einem direkten Halbleiter, der Photonen direkt – und daher sehr effizient -- absorbieren und emittieren kann.

Zinnhaltige Photodiode. Quelle: Forschungszentrum Jülich

Weil Zinn wie Silizium und Germanium der vierten Hauptgruppe des Periodensystems angehört, lässt sich die Silizium-Germanium-Zinn-Diode, kurz: SiGeSn-Diode, direkt im Zuge der Chip-Produktion auf Silizium aufbringen. Die Wissenschaftler haben die SiGeSn-Diode aus einem GeSn/SiGeSn-Schichtsystem hergestellt, wie sie in der Fachzeitschrift Small erläutern. Die Sandwich-Bauweise steigert die Effizienz, mit welcher der injizierte Strom in Licht umgewandelt wird, wie sie im Fachmagazin Optica nachweisen. 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 Mikrometer anzupassen.

Mit der Dioden-Entwicklung sind die Forscherinnen und Forscher aus dem Peter Grünberg Institut (PGI-9) am Forschungszentrum Jülich der Entwicklung einer Infrarot-Lichtquelle für die On-Chip-Datenübertragung einen Schritt näher gekommen. Darüber hinaus könnte das Material weitere Anwendungen wie etwa Photodetektoren ermöglichen. Bereits im Januar 2015 hatten die Jülicher Physiker in Nature Photonics die grundsätzliche Eignung der SiGeSn-Verbindung anhand eines Laser-Bausteins demonstriert, der sich direkt auf Silizium-Chips aufbringen lässt. Der damalige Laser ließ sich allerdings nicht elektrisch, sondern nur optisch zur Erzeugung von Laserlicht anregen. Seine Funktion war zudem auf tiefe Temperaturen von bis zu minus 183 Grad Celsius beschränkt. Die aktuell vorgestellte SiGeSn-Photodiode funktioniert dagegen auch bei Raumtemperatur.

Literatur

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