Mit integriertem Licht zu den Computern der Zukunft

An der TU Braunschweig ätzen Wissenschaftler*innen mit Höchstpräzision poröse Halbleiterkristalle aus Galliumnitrid.
Bild: Max Fuhrmann/TU Braunschweig

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 den entscheidenden Durchbruch für das Vereinen von Lichtquellen und Lichtleitern sein. Im Projekt OptoGaN arbeiten daher Forschende der Technischen Universität Braunschweig und der Friedrich-Schiller-Universität Jena an porösem Galliumnitrid.

Für die starke deutsche Photonik-Industrie lohnt es sich in den nächsten Jahren besonders, aufmerksam nach Braunschweig und Jena zu schauen. Die gemeinsame Idee der beteiligten Forschungsgruppen bietet vielfache Anwendungsmöglichkeiten. Drei dieser Ideen wollen die Projektpartner gemeinsam mit je einem Startup als Demonstratoren realisieren. Diese kommen dann Technologien wie Wellenleitern, neuromorphen Computern und dem Ionenfallen-Quantencomputer des Quantum Valley Lower Saxony zugute. Zugleich unterstützt das neugegründete Nitride Technology Center (NTC) an der TU Braunschweig, die Nitrid-Technologie auf höchstem Niveau weiterzuentwickeln und in die Anwendung zu bringen.

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 zusammen rechnen sollen, muss dieses Lasersystem deutlich kleiner werden – bestenfalls auf Chipgröße. Das Standardmaterial Siliziumdioxid für Wellenleiter auf Chips absorbiert allerdings genau die kritischen Lichtwellenlängen. Hier könnte das poröse Galliumnitrid 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. Die Forschenden bringen damit langgezogene, luft-gefüllte Kanäle – Poren – in die Galliumnitrid-Strukturen. Sogar dreidimensionale Wellenleiter mit komplexer optische Lichtführung werden so denkbar. Da Galliumnitrid und der Prozess mit den bisherigen Verfahren aus der LED-Herstellung kompatibel ist, werden so auch integrierte elektronische und photonische Schaltkreise möglich werden.

Um die innovativen Halbleiterkanäle zur Lichtleitung realisieren zu können, bringen die Forschenden aus Braunschweig und Jena 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.

Über das Projekt

Das Vorhaben „Hoch-integrierte mikrophotonische Module in Nitrid-Technologien“, kurz OptoGaN, wird vom Bundesforschungsministerium mit rund 600.000 Euro gefördert. Der Förderanteil der TU Braunschweig beträgt 450.000 Euro. Die Partner der Technischen Universität Braunschweig und der Friedrich-Schiller-Universität Jena starteten mit OptoGaN im Jahr 2023 für 3 Jahre bis Oktober 2026.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Andreas Waag
Sprecher LENA-Vorstand
Technische Universität Braunschweig
Institut für Halbleitertechnik
Hans-Sommer-Straße 66
38106 Braunschweig
Tel.: 0531 391-3774
E-Mail: a.waag@tu-braunschweig.de
www.tu-braunschweig.de/iht
www.tu-braunschweig.de/mib/lena

Weitere Informationen:

https://www.tu-braunschweig.de/iht/forschung/gan-technologie Das Nitride Technology Center in Braunschweig
https://magazin.tu-braunschweig.de/pi-post/mit-integriertem-licht-zu-den-compute…

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