Spezielle Silizium-Germanium-Legierung verspricht Fortschritte in der optischen Kommunikation
Silizium ist seit über 50 Jahren der Eckpfeiler der Elektronikindustrie. Silizium, Germanium und ihre Legierungen, wie z. B. SiGe, bestehen jedoch aus derselben Kristallstruktur, die eine ineffiziente Lichtemission zur Folge hat. Diese Einschränkung hatte tiefgreifende Auswirkunge auf die Entwicklung der Halbleiterindustrie. Infolgedessen unterteilt sich die Branche nun in zwei unterschiedliche Bereiche. Eine Seite der Elektronikindustrie stützt sich auf auf Silizium, das sich hervorragend für fortschrittliche elektronische Verarbeitung eignet, aber keine Lichtquelle für die Kommunikation bieten kann. Die andere Seite, die Kommunikationsindustrie, ist von III-V-Halbleitern abhängig, die zwar hervorragend Licht emittieren, aber keine fortgeschrittenen elektronischen Prozesse auf demselben Chip verarbeiten können.
Von der kubischen zu einer hexagonalen Struktur
Ein wichtiger Durchbruch in der Siliziumtechnologie, den das Team des EU-finanzierten Projekts Opto silicon(öffnet in neuem Fenster) ermöglicht hat, war die Entwicklung von hexagonalem SiGe (Hex-SiGe). Dieses neue Material ist in der Lage, effizient Licht zu emittieren. Im Gegensatz zu herkömmlichem SiGe, bei dem die Atome in einer kubischen Struktur angeordnet sind und sich mit der Lichtemission schwer tun, ist Hex-SiGe ein Halbleiter mit direkter Bandlücke, der sich ideal für optoelektronische Anwendungen eignet. Er bietet wichtige neue Fähigkeiten für die Siliziumtechnologie, wie die Erzeugung von Licht für LEDs und Laser, die Verstärkung von Licht in optischen Systemen und die hocheffiziente Erkennung von Licht.
SiGe besitzt Potenzial für lichtbasierte Geräte und Laser
Die Demonstration der ersten Hex-Ge/SiGe-Quantentöpfe – winzige Materialschichten, die Licht einfangen und steuern können – mit scharfen, sauberen Grenzflächen, war einer der wichtigsten Meilensteine. Das Team bemerkte eindeutige Anzeichen für den Ladungsträgereinschluss. Dies bedeutet, dass das Material die Bewegung von Elektronen und Löchern wirksam kontrollieren kann, was eine wesentliche Voraussetzung für die Schaffung effizienter lichtemittierender Bauteile ist. Zudem bestätigten die Forschenden eine Bandausrichtung vom Typ I – eine Eigenschaft, die diese Quantentöpfe zu idealen Kandidaten für die Herstellung von Lasern und Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen macht. „Wir demonstrierten, dass Hex-SiGe-Quantentöpfe Licht mit einer Strahlungslebensdauer von einer Nanosekunde emittieren können, ein Beweis dafür, dass das Material Energie sehr effizient in Licht umwandeln kann“, erklärt Projektkoordinator Jos Haverkort. „Durch die Feinabstimmung der Zusammensetzung von Hex-SiGe-Legierungen konnten wir die Emissionswellenlänge auf bis zu 1,55 µm bei sehr niedrigen Temperaturen (4K) einstellen – eine deutliche Verbesserung gegenüber den bisherigen 1,8 µm.“ Die Beobachtung eines linearen Anstiegs der eingeschlossenen Lichtmoden innerhalb eines aufgehängten Nanodrahtes stellte einen weiteren Durchbruch dar. Diese Erkenntnis lieferte den eindeutigen Beweis für stimulierte Emission, die für die Herstellung von Lasern mit Hex-SiGe entscheidend ist. „Wir haben eine beeindruckende optische Verstärkung von 545 cm^-1 in Hex-SiGe gemessen, ein Beleg für sein starkes Lichtverstärkungs-Potenzial. Wir untersuchten auch, wie Energieträger Energie verlieren – ein Prozess, der als Trägerkühlung bekannt ist“, erklärt Haverkort. „Im Gegensatz zu anderen Materialien erfolgen bei Hex-SiGe keine polaren optischen Phonon-Wechselwirkungen, durch die dieser Abkühlungsprozess normalerweise verlangsamt wird. Bemerkenswerterweise ist die Abkühlzeit der Ladungsträger im Material mit der von InGaAs/InP-Laserstrukturen vergleichbar.“
Kristalldefekte verringern
Da Hex-SiGe in einer metastabilen Kristallphase vorliegt, stellte sich das Team auch den Herausforderungen im Zusammenhang mit I3-Stapelfehlern, also dünnen Schichten aus kubischem SiGe, die gelegentlich innerhalb des hexagonalen Kristalls gebildet werden. Das Team erweiterte das Wissen über diese Fehlbildungen umfassend und entwickelte Methoden zur Verringerung ihrer Dichte.
Optoelektronische Geräte der nächsten Generation
Opto silicon hat wichtige Fortschritte bei der Integration von Hex-SiGe in Silizium-auf-Isolator-Plattformen erzielt. Allerdings muss noch mehr unternommen werden, um die Technologie vollständig auszuarbeiten. Die Forschenden werden ihre Arbeit an dem Projekt Bright Chips fortsetzen und sich dabei auf die Weiterentwicklung der Wachstumstechniken und die nahtlose planare Integration von Hex-SiGe konzentrieren.
