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Vier gewinnt: Photonische Bauelemente aus der Siliziumgruppe
Dan Buca und sein Team entwickeln photonische Bauelemente wie Laser und Sensoren, die sich nahtlos in Siliziumchips einfügen. Das verwendete Material besteht nur aus Elementen der sogenannten Siliziumgruppe und kann Abwärme in elektrische Energie umwandeln.
Photonische Bauelemente haben einen entscheidenden Vorteil: Sie können im Vergleich zu elektronischen Bauelementen große Datenmengen besonders energieeffizient übertragen. Das liegt daran, dass sie mit Licht statt mit Strom arbeiten. Für photonische Bauelemente gibt es zahlreiche Einsatzmöglichkeiten: etwa optische Sensoren in autonom fahrenden Autos, die über Lichtveränderungen Objekte erkennen, oder Laser als Signalgeber für photonische Schaltungen. Langfristiges Ziel ist es, photonische Bauelemente direkt in Mikrochips – also elektronische Bauteile – zu integrieren.
Doch es gibt ein Materialproblem. Silizium – das Schlüsselelement der Informationstechnologie – stößt bei solchen Anwendungen an Grenzen. Als indirekter Halbleiter kann das Element aus der vierten Hauptgruppe des Periodensystems Licht nur ineffizient abgeben oder aufnehmen. Mit anderen Worten: Es eignet sich nicht, um Photonen zu erzeugen oder zu erfassen. Zwar gibt es Alternativen, die anderen chemischen Hauptgruppen als Silizium angehören, etwa Galliumarsenid. Doch die Integration von Bauelementen aus diesen sogenannten III-V-Halbleitern ist kompliziert und kostspielig. Außerdem erschwert beispielsweise das giftige Arsen die Handhabung und Entsorgung.
Wir entwickeln direkte Halbleiter auf Basis von Elementen der vierten Hauptgruppe. Sie können leicht in die Standardverfahren der Chipindustrie integriert werden.
„Weltweit suchen Forscher:innen nach effizienten, Lichtemitierenden Materialien, die sich direkt in Siliziumtechnologien integrieren lassen. Wir entwickeln direkte Halbleiter, die ausschließlich auf Elementen der vierten Hauptgruppe basieren – der Siliziumgruppe“, sagt Dr. Dan Buca vom Peter Grünberg Institut (PGI-9). „Dadurch können sie leicht in die Standardverfahren zur Chipherstellung integriert werden.“ Diese neuen Halbleiter sollen Photonen senden und detektieren – eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Doch nach über zehn Jahren Forschung haben Bucas Team und dessen Kooperationspartner entscheidende Fortschritte vorzuweisen.
Stromsparer
Bei den umfassenden Untersuchungen ihrer neuen Legierungen für photonische Anwendungen haben die Jülicher Wissenschaftler:innen und ihre Kooperationspartner eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft entdeckt: Das Material kann Wärme in Elektrizität umwandeln, es ist also thermoelektrisch. „Manchmal findet man mehr, als man sucht“, kommentiert Dan Buca: „Eingebettet in siliziumbasierte Mikrochips, könnte die Germanium-Zinn-Legierung künftig deren Abwärme in elektrische Energie zurückwandeln. Dieses Energy Harvesting würde Kühlbedarf und Stromverbrauch erheblich senken“, erläutert Dan Buca. Und: Viele der aktuell effektivsten Thermoelektrika enthalten Blei, das umwelt- und gesundheitsschädlich ist.
2015 Erster optisch gepulster Laser: Bucas Team stellt eine Germanium-Zinn-Verbindung her, die optische Signale verstärken und Pulse infraroten Laserlichts erzeugen kann. Dazu muss die Verbindung auf einer Zwischenschicht aufwachsen, die zuvor auf einem Silizium-Wafer aufgebracht wird. Entscheidend: Mehr als acht Prozent der Atome in der Legierung müssen Zinnatome sein. Das lässt sich durch die präzise Steuerung des Herstellungsprozesses erreichen. Der Durchbruch lag in der exakten Abstimmung der Wachstumsbedingungen.
2020 Ein ununterbrochener Lichtstrahl: Die Forscher:innen entwickeln zusammen mit französischen Kooperationspartnern eine neue Variante des Germanium-Zinn-Lasers. Dieser erzeugt einen stabilen, ununterbrochenen Lichtstrahl und erreicht bei tiefen Temperaturen eine Lichtausbeute wie Galliumarsenid-Laser. Doch ein Problem bleibt: Der Laser muss mit Licht angeregt werden, fachsprachlich: optisch gepumpt. Er kann also ein elektrisches Datensignal nicht in Licht umwandeln, erfüllt somit nicht die Anforderungen für praktische Anwendungen.
2021 Legierung empfängt auch Licht: Gemeinsam mit Partnern aus Italien zeigt Bucas Team, dass sich die Jülicher Germanium-Zinn-Legierungen auch für kompakte Lichtempfänger eignen. Ihr günstig herstellbarer Sensor registriert Photonen im kurzwelligen Infrarot, kurz SWIR, und – durch einfaches Umpolen der Vorspannung – im Nahen Infrarot (NIR). Damit lassen sich beispielsweise Flüssigkeiten unterscheiden, die für das menschliche Auge gleich aussehen. SWIR-Sensoren eignen sich zudem für Kameras in Autos, da sie Regen und Dunst besser durchdringen als herkömmliche Kameras, die mit sichtbarem Licht arbeiten. Im Gegensatz zu sichtbarem Licht streut SWIR weniger an Wassertröpfchen.
2024 Elektrisch gepumpter Laser: Ein internationales Team um Buca stellt einen elektrisch gepumpten Halbleiterlaser vor, der einen kontinuierlichen Lichtstrahl liefert und ausschließlich aus Elementen der Siliziumgruppe besteht. Er benötigt nur 5 Milliampere Strom und weniger als 2 Volt Spannung – vergleichbar mit einer Leuchtdiode. Basis ist eine speziell angefertigte Struktur aus ultradünnen Schichten von Silizium-Germanium-Zinn und Germanium-nn. Allerdings funktioniert der Laser nur bei Temperaturen von minus 180 Grad Celsius, was seinen Einsatz in Anwendungen einschränkt. Aber: Ähnlich limitiert starteten die optisch gepumpten Germanium-Zinn-Laser, die inzwischen bei Raumtemperatur arbeiten.
Wie geht es weiter?
Zuletzt ist es dem Team um Dan Buca gemeinsam mit Forschungspartnern gelungen, Silizium, Germanium, Zinn und Kohlenstoff in einem einzigen kristallinen Material zu vereinen – das galt aufgrund der sehr unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Elemente lange Zeit als nahezu unmöglich. Mit Ausnahme von Blei sind alle Elemente der Gruppe IV reichlich vorhanden, recycelbar und ungiftig. Das macht entsprechende Materialien für eine Welt, die nach mehr Nachhaltigkeit strebt, besonders attraktiv.
Die Aussichten sind günstig: Aufbauend auf früheren Fortschritten bei Halbleitern der Gruppe IV, bietet das entwickelte neue Material eine noch bessere Kontrolle über elektronische und optische Eigenschaften. Dies könnte verbesserte Laser, Photodetektoren, thermoelektrische Materialien und zukünftige Quantenbauelemente ermöglichen, die mit der Standard-Siliziumchip-Technologie kompatibel bleiben. Erste Untersuchungen weisen außerdem darauf hin, dass mit dem Material auch Qubits, die Recheneinheiten von Quantencomputer, erzeugt werden könnten. Hier ist die Forschung allerdings noch am Anfang.
Mit Fördermitteln der EU, der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt wollen Dan Buca und sein Team als Nächstes zeigen, dass Legierungen der Gruppe IV geeignete Materialien für viele Funktionen der modernen Informationstechnologie sind. Mithilfe von Prototypen hoffen die Forscher, das Interesse der Industrie zu wecken und den Weg für zukünftige kommerzielle Anwendungen zu ebnen. Buca betont jedoch, dass der Schritt vom Nachweis der Funktionsfähigkeit im Labor hin zu industriellen Anwendungen nach wie vor eine große Herausforderung darstellt: „Ohne erhebliche finanzielle Mittel und starke Partnerschaften mit der Industrie ist dies nicht möglich.“
Die Herstellung: Die Jülicher Legierungen scheiden sich bei niedrigen Temperaturen auf handelsüblichen Silizium-Wafern ab. Sie entstehen durch chemische Reaktionen gasförmiger Verbindungen, die Elemente aus der vierten Gruppe des Periodensystems enthalten. Die chemische Gasphasenabscheidung – chemical vapour deposition, kurz: CVD – erfolgt in einer Anlage, die denen der Halbleiterindustrie entspricht. Die Herausforderung besteht darin, bis zu vier verschiedene Elemente in einer einzigen Kristallstruktur zusammenzuführen. Das erzeugt mechanische Spannungen, die zu Rissen, Defekten oder Phasentrennung führen können. Die Spannungen entstehen, weil die Atomgröße der Elemente stark variiert: Zinnatome sind beispielsweise etwa 20 Prozent größer als Siliziumatome und fast 80 Prozent größer als Kohlenstoffatome. Zudem unterscheiden sich das Bindungsverhalten und die chemische Reaktivität der Elemente während des Kristallwachstums erheblich. Durch jahrelange experimentelle Arbeit haben die Jülicher Forscher:innen Wachstumsbedingungen identifiziert, unter denen diese Herausforderungen bewältigt werden können.
Dieser Artikel ist Teil der effzett 1/2026. Text: Frank Frick
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Letzte Änderung: 14.08.2026