De schematische structuur van een germanium/tinlaser (GeSn) direct aangebracht op een siliciumplak (blauw) (afb: onderzoekscentrum Jülich)

Bij de huidige elektronica gaat het nog steeds, zoals het woord al aangeeft, om elektronen, maar licht lijkt de toekomst te hebben. Licht is snel en licht schijnt ook vrij makkelijk te verstrengelen, die vreemde kwantummechanische eigenschap die bij de kwantumcomputer nodig schijnt te zijn. Onderzoekers van het onderzoekscentrum Jülich (D) en het Zwitserse Paul Scherrer-instituut schijnen voor het eerst een halfgeleiderlaser te hebben ontwikkeld die uit elementen uit groep IV van het periodiek systeem bestaan: germanium en tin. De germanium/tinlaser kan direct op een siliciumchip worden aangebracht, waardoor de mogelijkheid ontstaat gegevens van een elektronische chip via licht te transporteren. Dat is veel sneller en goedkoper dan via elektronen.

Het transporteren van gegevens tussen de diverse onderdelen van een elektronisch systeem wordt gezien als knelpunt voor de zich snel ontwikkelende computertechnologie. Dan is licht handig. “Signaaloverdracht via koperen draden beperkt de ontwikkeling van grote en snelle computers”, zegt onderzoeker Detlev Grützmacher. “Dat heeft te maken met de warmteontwikkeling in de koperdraden en de bandbreedte van die draden. Voor het synchroniseren van het kloksignaal alleen al gebruiken schakelingen 30% van de energie, energie die je zou kunnen gebruiken voor het optische transport.”
In sommige netwerken en bij rekencentra wordt al tientallen jaren gebruik gemaakt van optische verbindingen. Daarmee krijg je grote brandbreedtes, zelfs over grote afstanden, dus je kunt veel bits pers seconde verstouwen. Via optische vezels is het transport haast verliesloos en kan bovendien tegelijkertijd via verschillende golflengtes plaatsvinden. De integratie van de optische componenten is zo langzamerhand wel in orde, maar, ondanks heftig onderzoek, is die tussen elektronische en optische systemen nog steeds niet goed mogelijk.
Silicium is het basismateriaal bij de chipproductie, een element uit groep IV van het periodiek systeem der elementen, net als, bijvoorbeeld, koolstof. Halfgeleiderlasers voor telecommunicatiedoeleinden, zoals galliumarsenide-lasers, zijn duur en bestaan uit elementen uit groep III en V. Dat heeft grote gevolgen voor de kristaleigenschappen van die halfgeleiders. Vandaar dat die niet direct kunnen worden aangebracht op een siliciumondergrond. Die worden eerst apart gemaakt en vervolgens op het silicium gelijmd. De levensduur van zo’n constructie wordt ernstig beïnvloed door de warmteuitzetting van die elementen, die heel anders is dan die van silicium.

Elementen uit groep IV kunnen daarentegen wel worden geïntegreerd tijdens het productieproces. Het probleem is alleen dat geen van beide elementen een goede lichtbron is. Ze worden indirecte halfgeleiders genoemd, die, in afwijking van de directe, als gloeilampen veel warmte verspreiden en weinig licht. Over de hele wereld wordt gewerkt aan het verbeteren van de materiaaleigenschappen van germanium, om dat element te kunnen gebruiken als lichtbron.
De onderzoeksgroep in Jülich is er nu voor het eerst in geslaagd een ‘echte’ directe laser te fabriceren met elementen uit groep IV, door germanium te combineren met tin (ook groep IV). “De grote hoeveelheid tin is bepalend voor de optische eigenschappen”, zegt medeonderzoeker Stephan Wirths. “Voor het eerst waren we in staat om meer dan 10% tin in te bouwen in het kristalrooster van germanium zonder optische kwaliteit te verliezen.” Het vervelende is dan wel dat de laser alleen bij temperaturen tot maximaal -90°C werkt. Dat zou hebben gelegen aan het testsysteem waarmee de onderzoekers werkten. De laser op silicium werd uitgeprobeerd bij het Paul Scherrer-instituut.
Gelukkig voor de onderzoekers zal er nog wel het een en ander moeten gebeuren om elektronen en licht  te ‘verenigen’. Ze denken als volgende grote stap aan het produceren van licht met behulp van elektriciteit, als het kan zonder die lage temperaturen (uiteraard bij voorkeur bij kamertemperatuur).
De laserstraal is niet zichtbaar met het blote oog. Een GeSn-laser zendt licht uit in het micrometergebied (3 µm). Veel koolstofverbindingen zoals kooldioxide, methaan of biomoleculen hebben sterke absorptiepieken op deze grens tussen infrarood en zichtbaar licht. Dat maakt GeSn ook aantrekkelijk voor sensoren om deze verbindingen te kunnen detecteren. Ook andere toepassingen in, bijvoorbeeld, medische toepassingen zouden een graantje van dit onderzoek kunnen meepikken. GeSn, het veelzijdige stukje materiaal. Zoiets.

Bron: Science Daily