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Optoelektronik : Erleuchtung im Computerchip

  • -Aktualisiert am

Dwarfs Causeway: Kristallsäulen aus Germanium und Silicium, etwa einen halben Mikrometer dick. Die Aufnahme entstand unter einem Elektronenmikroskop und ist daher im Original ohne Farbe. Bild: Foto E. Fadaly

Jahrzehnte träumen Computerbauer davon, ihrem Lieblingshalbleiter Silicium beizubringen, Licht und elektrischen Strom direkt ineinander umzuwandeln. Nun scheint das Ziel greifbar.

          6 Min.

          Alljährlich kürt die physikalische Zeitschrift  Physics World, das Mitgliedermagazin der britischen physikalischen Gesellschaft, den „Durchbruch des Jahres“ auf dem Gebiet der Physik. Kaum von der Öffentlichkeit wahrgenommen, wurde dieser Titel im Dezember einer Forschungsarbeit zuerkannt, die ein Dauerproblem der Elektronikbranche lösen könnte: Silicium, das sonst so flexible Halbleiterbaumaterial, versteht sich nicht mit Licht. Genauer gesagt, es tut sich sehr schwer, Licht in elektrischen Strom umzuwandeln – und umgekehrt.

          Warum funktionieren dann Photovoltaikanlagen aus Silicium? „Das geht nur, weil es sehr dicke Siliciumschichten sind“, erklärt Silvana Botti von der Universität Jena. Die Materialmenge kann die Ineffizienz einigermaßen ausgleichen. Bei den winzigen Bauelementen der Mikroelektronik funktioniert das nicht mehr. Hier versagt Silicium, und das will Botti ändern. Innerhalb der Kooperation, welcher der prämierte Durchbruch gelang, ist sie für die theoretische Berechnung elektronischer Materialeigenschaften zuständig. Und tatsächlich zeichnet sich nun eine Lösung in Gestalt einer neuen Form siliciumhaltiger Halbleiterkristalle ab. Sie bestehen aus sechseckigen Kristallsäulen mit einem Durchmesser von bis zu einem Mikrometer (millionstel Meter), die an mikroskopische Basaltsäulen erinnern.

          Um aber zu verstehen, warum diese „Nanodrähte“, wie sie im Fachjargon heißen, zum Ziel führen sollen, muss man sich die aktuelle Situation in der Elektronikwelt anschauen. Dort erfordern optoelektronische Bauelemente – also Foto-, Leucht- und Laserdioden –andere Halbleitermaterialien, allen voran Galliumarsenid. Dummerweise ist das ungefähr so inkompatibel mit Silicium wie eine metrische Schraube mit einem Zoll-Gewinde. Daher sind optoelektronische Bauelemente nicht direkt in Siliciumchips integrierbar, und mit diesem technologischen Bremsklotz sind wir tagtäglich im Umgang mit Computern konfrontiert – ohne es zu ahnen.

          Licht ist schneller als Strom

          „Nachdem die Prozessoren in den 90er Jahren immer schneller geworden sind, kleben sie seit den frühen 2000er Jahren mit ihrer Taktfrequenz im Bereich von maximal drei bis vier Gigahertz fest“, sagt Erik Bakkers von der Universität Eindhoven, der Leiter der Kooperation. Dieses Problem ist zwar nicht so berühmt wie das drohende Ende des Moore’schen Gesetzes, welches den Miniaturisierungsfortschritt elektronischer Bauteile seit einem halben Jahrhundert zutreffend beschreibt. Doch als Fortschrittsbremse ist es inzwischen fast noch drückender.

          In diesem Ofen werden die Nanodrähte aus Germanium und Silizium gezüchtet.
          In diesem Ofen werden die Nanodrähte aus Germanium und Silizium gezüchtet. : Bild: Nando Harmsen, TU/e

          Das Problem hat zwei Ursachen, sagt Bakkers: zum einen die Verluste durch den Widerstand der mikroskopischen Leitungen. „Außerdem verzögert der elektrische Widerstand den Stromfluss.“ Beide Probleme wären lösbar, könnte man besonders die längeren Leitungen in den Prozessoren von Strom auf Licht umstellen. Das ginge aber nur mit optoelektronischen Bauelementen, welche die fließenden Bits von ihren vergleichsweise lahmen Elektronen-Shuttles in ein Schnellbahnnetz aus Licht und zurück umsteigen ließen. Das wäre fast eine Mikroversion der Technik, die im weltumspannenden Glasfasernetz längst etabliert ist. Doch es erfordert eine in Siliciumchips integrierbare Optoelektronik. Dabei würden die eigentlichen Transistoren nach wie vor mit Elektronen arbeiten, denn hier ist die heutige Hochtechnologie mit ihren teils nur noch wenige Nanometer (milliardstel Meter) winzigen Strukturen im Vorteil.

          Um nun zu verstehen, wie die neue Idee Silicium zum Leuchten bringen kann, muss man sich ein wenig in die Welt der Festkörperphysik wagen. Diese schafft es nicht ganz so leicht ins Fernsehen wie etwa Schwarze Löcher, prägt aber durch ihre Tochter, die Halbleiterphysik, unseren Alltag heute so sehr wie kaum eine andere Naturwissenschaft. Festkörperforschung hatte bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts sogar den Ruf einer „schmutzigen Physik“, über welche etwa Vertreter der damals hippen Kernphysik ihre feinen Nasen rümpften. Dabei ist Festkörperphysik eine ausgesprochen ästhetische Wissenschaft voller mathematischer Schönheit, beschreibt sie doch eine Welt hochgeordneter Kristalle, ist voller Symmetrien und eine Spielwiese der rätselhaften Quantenmechanik. Auch bestehen viele andere nützliche Materialien aus Kristallen, wenn auch meist sehr winzigen, Metalle zum Beispiel.

          Halbleiter sind ebenfalls kristallin. Silicium lässt sich zu riesigen, nahezu perfekt fehlerfreien Atomgittern züchten. Diese baumstammdicken Kristalle werden dann in Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten, aus denen dann Schritt für Schritt Elektronikchips entstehen. Bei der Entwicklung der dazu nötigen Prozesse hat sich das chemisch flexiblere Silicium gegen das Germanium durchgesetzt, aus dem die ersten Transistoren bestanden.

          Minecraft in der Mikrowelt

          Germanium könnte allerdings aus seiner Nische wieder herauskommen – wenn die Forschungsarbeit von Bakkers, Botti und Kollegen einen Weg in die Halbleiterindustrie finden sollte. Das hat etwas mit dem symmetrischen Aufbau der Halbleiterkristalle und ihren darauf beruhenden elektronischen Eigenschaften zu tun. Die Kristalle von Silicium und Germanium bestehen jeweils aus winzigen Atomwürfeln. Sie sind eine Art Minecraft-Spiel der Natur, wenn auch etwas komplizierter. Tatsächlich sind es zwei räumliche Würfelgitter, die ineinandergeschoben sind. Sie bilden ein sogenanntes Diamantgitter, denn Kohlenstoff in seiner härtesten Form ist ebenfalls so aufgebaut. Der Grund für die Verwandtschaft: Kohlenstoff, Silicium und Germanium wohnen im Periodensystem der chemischen Elemente genau untereinander. Die äußeren Elektronen der Atome aller drei Elemente fungieren quasi wie vier Quantensteckverbindungen, die sich jeweils mit vier gleichartigen Nachbarn verbinden wollen.

          Genau diese würfelförmige Symmetrie des Siliciumkristalls verursacht das Pro­blem mit dem Licht. Allgemein bilden Kristalle eine dreidimensionale Quantenwelt, die von zwei Sorten Elektronen regiert wird. Die eine Sorte, Valenzelek­tronen genannt, bildet jene Quantenstecker zu den Nachbaratomen. Folglich sind diese Elektronen immobil. Die zweite Sorte, die Leitungselektronen, können durch den Kristall reisen und – daher der Name – elektrischen Strom transportieren. Dazu müssen sie aber genug Energie intus haben. Wegen des Welle-Teilchen-Dualismus der Quantenphysik sollten sie überdies als Welle durch das Kristallgitter surfen können. Das geht aber nur, wenn ihre Wellenlänge mit den Abständen im Atomgitter harmoniert. Elektronensurfer mit anderen Wellenlängen kommen nicht durch.

          Halbleiter hätte man eben lieber direkt

          Das Schicke an der Quantennatur solcher Kristalle ist nun, dass sie sich in einem einfachen Bild beschreiben lässt: Die Leitungselektronen bewegen sich auf einem höheren Energieniveau, wie auf einer Art hochgelegter Stadtautobahn, darunter sitzen die Valenzelektronen bei niedrigerer Energie fest. Bei Metallen herrscht immer Elektronenverkehr oben auf der Autobahn. Bei Isolatoren wie Diamant hingegen liegt die Autobahn für die Elektronen unerreichbar hoch. Bei Halbleitern wiederum brauchen sie einen Kick, um auf den Highway des Leitungsbandes zu gelangen. Diesen Kick kann ein Lichtquant, ein Photon, mit passender Energie liefern. Dabei hinterlässt das negativ geladene Elektron unten im Valenzband ein Loch, das dort als effektiv positiv wirkender Ladungsträger herumhüpfen kann. Dummerweise reicht beim Silicium aber nicht allein der senkrechte Sprung nach oben: Das Elektron braucht auch noch einen seitlichen Kick, den das Licht nicht geben kann. Denn die Autobahn befindet sich nicht direkt über ihm, wie dies bei einem „direkten“ Halbleiter wie Galliumarsenid der Fall ist, sondern seitlich versetzt: Silicium ist ein sogenannter indirekter Halbleiter. In optoelektronischen Elementen wie Leuchtdioden muss das Elektron zudem in das umherwandernde Loch hineinspringen können. Nur so kann es die freiwerdende Energie als Licht emittieren. „Das ist wie bei einem Liebespaar, das sich zu einem Treffen verabredet hat“, erklärt Bakkers, „aber nun befindet sich ein Partner in London und einer in Amsterdam.“ Für die Lösung müsse man sich das verhinderte Treffen wie auf einer klassischen Landkarte aus Papier vorstellen, so der Physikprofessor: „Wir falten sie nun einfach so zusammen, dass London direkt auf Amsterdam zu liegen kommt, fertig.“

          Genau so eine Faltung erhalten die Energiebänder der Kristalle sechseckiger Symmetrie, die aus einer Mischung aus Silicium und Germanium bestehen. Bereits 1973 hatten theoretische Physiker Berechnungen publiziert, die zeigten, dass Germanium in einer solchen hexagonalen Kristallform zum direkten Halbleiter werden kann. Bei Silicium ist das zwar nicht so, aber im Mix mit Germanium und realisiert in den Halbleitersäulen, sah Bakkers vor etwa zehn Jahren eine Chance. Zuvor hatte es bereits viele Versuche gegeben, hexagonale Silicium-Germanium-Kristalle zu züchten. „Aber sie waren winzig und voller Fehler“, sagt seine Kollegin Botti. Das Eindhovener Team züchtet nun im Labor mit einem Trick, der erstmals 2015 gelang, zunächst schmale Säulen aus Galliumarsenid, die bereits sechseckig sind. Auf diese wird nun ein 200 bis 400 Nanometer dicker Mantel aus einer Germanium-Silicium-Legierung aufgedampft. Und tatsächlich: Der wabenförmige Säulenkern erzwingt eine sechseckige Symme­trie im äußeren Germanium-Silicium-Kristall. Zum ersten Mal gelang es damit, hexagonale Halbleiterkristalle in Materialdicken zu schaffen, die für die Mikroelektronik ausreichten. Über das Mischungsverhältnis zwischen Germanium und Silicium lässt sich zudem einstellen, mit welcher Lichtwellenlänge der Halbleiter am besten harmoniert. Die Standardwellenlänge für das Telekom-Glasfasernetz liegt im Infraroten, bei 1550 Nanometern, weil dieses Licht besonders verlustarm durch das Glas reist. Sie ist mit den Mischkristallen gut realisierbar.

          Das ist aber nur der erste Schritt, denn die Mikrosäulen sind nicht in die heutige Chiptechnologie integrierbar. Dafür muss es gelingen, flache Mikrostrukturen aus der hexagonalen Silicium-Germanium-Legierung auf den Wafern wachsen zu lassen. Genau das ist das Ziel des Nachfolgeprojekts, das nun für fünf Jahre startet. Mit im Boot ist das IBM-Forschungslabor im schweizerischen Rüschlikon. Dort gibt es ein Team, das auf ein Verfahren spezialisiert ist, bei dem Laserlicht auf einen mikroskopisch kleinen Fleck fokussiert wird. Mit diesem „Lichtschreiber“ soll es möglich sein, die erforderlichen flachen Mikrostrukturen aus der hexagonalen Kristallstruktur auf Silicium zu erzeugen.

          Sollte sich daraus ein praktikables Verfahren für die Halbleiterindustrie entwickeln lassen, winken nicht allein schnellere Prozessoren, sondern zum Beispiel auch chemische Sensoren, die als miniaturisierte Spektroskopiegeräte die Schadstoffbelastung in der Umgebungsluft anzeigen könnten. „Smartphonehersteller würden gerne solche chemischen Sensoren einbauen können“, sagt Erik Bakkers. Als andere mögliche Anwendung nennt Silvana Botti kleine Infrarotlasersensoren, sogenannte Lidar-Systeme, die als präzise Abstandsmesser selbstfahrende Autos unterstützen. Die neue Technologie würde also, wenn sie sich denn vom Labor in die Fertigungshallen übertragen lässt, die Halbleiterei noch ein ganzes Stück tiefer in unseren Alltag hineintragen.

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