17 Feb. Laser aus Gruppe-IV-Elementen für die Siliziumphotonik
Ein Forscherteam hat den ersten elektrisch gepumpten Halbleiterlaser für kontinuierlichen Betrieb entwickelt, der vollständig aus Elementen der vierten Hauptgruppe des Periodensystems – der sogenannten Siliziumgruppe – besteht. Die Lichtquelle lässt sich monolithisch in Siliziumchips und somit in Prozesse der Halbleiterfertigung integrieren. Damit löst sie ein zentrales Problem der On-Chip-Photonik: die nahtlose Verbindung von optischen und elektronischen Komponenten auf einem einzigen Chip.
Der Laser basiert auf einer sogenannten Multi-Quantum-Well-Struktur aus ultradünnen Silizium-Germanium-Zinn- und Germanium-Zinn-Schichten. An deren Eigenschaften angepasst und ergänzt um eine neuartige Ring-Geometrie, soll sie den Energiebedarf sowie die Wärmeentwicklung minimieren und so einen stabilen Dauerbetrieb bei 90 K ermöglichen.
Das Bauelement im
Rasterelektronenmikroskop. Bild: Forschungszentrum Jülich / Jhonny Tiscareno
Elektrische Leistung einer Leuchtdiode
Im Vergleich zu früheren Germanium-Zinn-Lasern, die optisch gepumpt wurden, arbeitet der neue Laser elektrisch und somit wesentlich energieeffizienter – bei 5 mA Stromstärke und an 2 V Spannung, vergleichbar mit einer Leuchtdiode. Obwohl er einen bedeutenden Fortschritt darstellt, besteht nach Ansicht der Wissenschaftler weiterhin Optimierungsbedarf. Insbesondere gilt es, die Laserschwelle zu senken und einen stabilen Betrieb bei Raumtemperatur zu erreichen. Frühere Germanium-Zinn-Laser, die zunächst nur optisch gepumpt wurden und für den Einsatz bei kryogenen Temperaturen geeignet waren, zeigen das Entwicklungspotenzial auf: Sie konnten mittlerweile für den Betrieb bei Raumtemperatur angepasst werden.
Die Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Dan Buca am PGI-9 des Forschungszentrums Jülich leistet seit Jahren Pionierarbeit auf dem Gebiet Zinn-basierter Gruppe-IV-Materialien. In enger Zusammenarbeit mit Partnern wie dem IHP, der Universität Stuttgart, CEA-Leti, C2N-Université Paris-Sud und dem Politecnico di Milano haben die Forschenden bereits das Potenzial dieser Werkstoffsysteme für Anwendungen in der Photonik, Elektronik, Thermoelektrik und Spintronik demonstriert. Mit der Entwicklung des neuen Lasers rückt die Vision einer vollständig integrierten Siliziumphotonik als All-in-One-Lösung für die nächste Generation von Mikrochips in greifbare Nähe.
Originalpublikation
[L. Seidel, T. Liu, O. Concepción et al.: Continuous-Wave Electrically Pumped Multi-Quantum-Well Laser Based on Group-IV Semiconductors; Nat Commun (2024), DOI: 10.1038/s41467-024-54873-z]
Quelle: www.fz-juelich.de
Bild: Forschungszentrum Jülich / Jhonny Tiscareno
