Und es ward Licht – im Chip

Während Computerchips Jahr für Jahr kleiner und schneller werden, bleibt bisher eine Herausforderung ungelöst: Das Zusammenbringen von Elektronik und Photonik auf einem einzigen Chip. Zwar gibt es Bauteile wie MikroLEDs als Einzelchips und Wellenleiter als winzige Glasfaserkabel, aber die benötigten Materialien sind zu unterschiedlich für einen harmonierenden Chip. Ein neuartiges Ätzverfahren könnte jetzt der entscheidende Durchbruch für das Vereinen von optoelektronischen Lichtquellen und photonischen Lichtleitern sein. Im Projekt OptoGaN arbeiten daher Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der Technischen Universität Braunschweig an porösem Galliumnitrid. Das Vorhaben „Hoch-integrierte mikrophotonische Module in Nitrid-Technologien“, kurz OptoGaN, wird vom Bundesforschungsministerium mit rund 600.000 Euro für drei Jahre gefördert. 

Für die starke deutsche Photonik-Industrie lohnt es sich in den nächsten Jahren, besonders aufmerksam nach Jena und Braunschweig zu schauen. Die gemeinsame Idee der beteiligten Forschungsgruppen bietet vielfache Anwendungsmöglich­keiten, sind sich die Wissenschaftler sicher. Drei dieser Ideen wollen die Projektpartner gemeinsam mit je einem Start-up als Demonstratoren realisieren. Diese kommen dann Technologien wie Wellenleitern, neuromorphen Computern und dem Ionenfallen-Quanten­computer des „Quantum Valley Lower Saxony“ zugute. 

Doch wie kann das Einsatzgebiet dieser neuen Technologie aussehen? Um etwa die Ionen des Quantencomputers zu manipulieren, braucht es aktuell noch große Lasersysteme. Wenn nun immer mehr Quantenbits im Computer zusammenrechnen sollen, muss dieses Lasersystem deutlich kleiner werden – bestenfalls nur noch Chipgröße haben. Das Standardmaterial Siliziumdioxid für Wellenleiter auf Chips absorbiert allerdings genau die kritischen Lichtwellenlängen. Hier könnte das poröse Galliumnitrid durch seinen niedrigen Brechnungsindex eine Alternative anbieten und das maßgeschneiderte Licht verlustarm ans einzelne Ion bringen. 

Komplementäre Expertise im Umgang mit Galliumnitrid

Hinter dem porösen Halbleiter steht ein neues selektives Ätzverfahren, das elektrisch leitfähige Bereiche in Luft-gefüllte Kanäle – Poren – umwandelt. Der entsprechende elektrische Kontrast wird vorher durch Ionenimplantation durch Masken realisiert. Sogar dreidimensionale Wellenleiter mit komplexer optischer Lichtführung werden so denkbar. Da Galliumnitrid und der Prozess mit den bisherigen Verfahren zur Herstellung von LEDs und Laserdioden kompatibel ist, wird es möglich werden, integrierte elektronische und photonische Schaltkreise zu realisieren. 

Um die innovativen Halbleiterkanäle zur Lichtleitung realisieren zu können, bringen die Forschenden aus Jena und Braunschweig komplementäre Expertisen und Spezialgeräte zusammen. Denn das hier angewandte Ätzverfahren hat sowohl eine elektronische als auch eine chemische Komponente. Zunächst stellen die Braunschweiger Forschenden das Grundmaterial Schicht für Schicht her. Anschließend reist der Halbleiterchip nach Jena zur Ionenimplantation. Dabei dotieren die Forschenden aus Jena den Chip und verändern gezielt seine elektronischen Eigenschaften. Zuletzt muss der Chip dann zurück nach Braunschweig, wo der chemische Ätzprozess die endgültige, poröse Struktur formt.