Natuurkundigen van de Technische Universiteit van München (TUM) hebben een nanolaser ontwikkeld, duizend keer dunner dan een mensenhaar. Dankzij een ingenieus proces, de nanodraadlasers groeien recht op een siliciumchip, waardoor het mogelijk is om op een kosteneffectieve manier hoogwaardige fotonische componenten te produceren. Dit maakt de weg vrij voor een snelle en efficiënte gegevensverwerking met licht in de toekomst.

steeds kleiner, steeds sneller, steeds goedkoper - sinds het begin van het computertijdperk zijn de prestaties van processors gemiddeld elke 18 maanden verdubbeld. 50 jaar geleden al, Mede-oprichter van Intel, Gordon E. Moore, voorspelde deze verbazingwekkende groei in prestaties. En de wet van Moore lijkt tot op de dag van vandaag te gelden.

Maar de miniaturisering van elektronica bereikt nu zijn fysieke grenzen. "Vandaag al transistors zijn slechts enkele nanometers groot. Verdere kortingen zijn verschrikkelijk duur, " zegt professor Jonathan Finley, Directeur van het Walter Schottky Institute aan de TUM. "Het verbeteren van de prestaties is alleen mogelijk door elektronen te vervangen door fotonen, dat wil zeggen deeltjes van licht."

Fotonica - de zilveren kogel van miniaturisatie

Gegevensoverdracht en -verwerking met licht heeft het potentieel om de barrières van de huidige elektronica te doorbreken. In feite, de eerste op silicium gebaseerde fotonica-chips bestaan ​​al. Echter, de lichtbronnen voor de gegevensoverdracht moeten in gecompliceerde en uitgebreide fabricageprocessen aan het silicium worden bevestigd. Onderzoekers over de hele wereld zijn dus op zoek naar alternatieve benaderingen.

Wetenschappers van de TU München zijn nu in dit streven geslaagd:Dr. Gregor Koblmüller van de afdeling Semiconductor Quantum-Nanosystems heeft, in samenwerking met Jonathan Finley, ontwikkelde een proces om nanolasers rechtstreeks op siliciumchips te deponeren. Een patent voor de technologie is in behandeling.

Het kweken van een III-V-halfgeleider op silicium vereist hardnekkig experimenteren. "De twee materialen hebben verschillende roosterparameters en verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten. Dit leidt tot spanning, " legt Koblmüller uit. "Bijvoorbeeld, conventionele vlakke groei van galliumarsenide op een siliciumoppervlak resulteert daarom in een groot aantal defecten."

Het TUM-team loste dit probleem op een ingenieuze manier op:door nanodraden te deponeren die vrijstaand op silicium staan, zijn hun voetafdrukken slechts enkele vierkante nanometers. Zo konden de wetenschappers het ontstaan ​​van defecten in het GaAs-materiaal uitsluiten.

Atoom voor atoom naar een nanodraad

Maar hoe verander je een nanodraad in een laser met verticale holtes? Om coherent licht te genereren, fotonen moeten worden gereflecteerd aan de boven- en onderkant van de draad, waardoor het licht wordt versterkt totdat het de gewenste drempel voor laseren bereikt.

Om aan deze voorwaarden te voldoen, moesten de onderzoekers een eenvoudige, maar geavanceerde oplossing:"Het grensvlak tussen galliumarsenide en silicium reflecteert het licht niet voldoende. We hebben dus een extra spiegel ingebouwd - een 200 nanometer dikke siliciumoxidelaag die we op het silicium hebben verdampt, " legt Benedikt Mayer uit, promovendus in het team onder leiding van Koblmüller en Finley. "Kleine gaatjes kunnen dan in de spiegellaag worden geëtst. Met behulp van epitaxie, de halfgeleider nanodraden kunnen dan atoom voor atoom uit deze gaten worden gekweekt."

Pas als de draden voorbij het spiegeloppervlak uitsteken, kunnen ze lateraal groeien - totdat de halfgeleider dik genoeg is om fotonen heen en weer te laten stralen om gestimuleerde emissie en lasering mogelijk te maken. "Dit proces is zeer elegant omdat het ons in staat stelt om de nanodraadlasers ook direct op golfgeleiders in de siliciumchip te plaatsen, ", zegt Koblmüller.

Fundamenteel onderzoek op weg naar toepassingen

Momenteel, de nieuwe galliumarsenide-nanodraadlasers produceren infrarood licht met een vooraf gedefinieerde golflengte en onder gepulseerde excitatie. "In de toekomst willen we de emissiegolflengte en andere laserparameters wijzigen om de temperatuurstabiliteit en lichtvoortplanting onder continue excitatie in de siliciumchips beter te regelen, ', voegt Finley toe.

Het team heeft zojuist zijn eerste successen in deze richting gepubliceerd. En ze hebben hun zinnen gezet op hun volgende doel:"We willen een elektrische interface creëren zodat we de nanodraden onder elektrische injectie kunnen laten werken in plaats van te vertrouwen op externe lasers, ", legt Koblmüller uit.

"Het werk is een belangrijke voorwaarde voor de ontwikkeling van hoogwaardige optische componenten in toekomstige computers, " vat Finley samen. "We hebben kunnen aantonen dat het mogelijk is om siliciumchips met geïntegreerde nanodraadlasers te maken."