U-Bahn im Computerchip
Auf jedem etwa daumennagelgroßen Computerchip befinden sich heute mehr als zwei Milliarden Transistoren zur Datenerzeugung und zehn Kilometer feinster Kupferdraht, über den mit Strom die Informationen zwischen den Transistoren ausgetauscht werden. Das ist alles andere als optimal und in etwa so, als würden sich in einer Stadt wie Wien alle EinwohnerInnen nur zu Fuß bewegen. Dr. Moritz Brehm hat sich mit seinem LIT-Projekt die Aufgabe gestellt, eine „U-Bahn“ im Computerchip zu bauen: Selektiv sollen die Kupferdrähte durch Lichtleiter ersetzt werden und die Informationsübertragung damit vielfach schneller, energiesparender und mit geringeren Wärmeverlusten funktionieren.
Projektdetails
Young Career Projekt
Projektleitung
Moritz Brehm
Call
1/2016
Dies will Brehm durch einen Ansatz erreichen, der weltweit nur in seiner Forschungsgruppe zum Einsatz kommt und darauf beruht, mit einem Trick den indirekten Halbleiter Silizium zu einem direkten Halbleiter umzuwandeln und damit die Energieübertragung zu ermöglichen.
Dafür lässt er im Reinraum auf einer Silizium-Schicht eine wenige Atomlagen dicke Germanium-Schicht wachsen. Germanium- und Silizium-Kristalle, aus denen Computerchips bestehen, sind einander sehr ähnlich. Die Abstände zwischen den Germanium-Atomen sind allerdings größer als im Silizium. Deshalb entstehen in der Germanium-Schicht, die auf dem Silizium wächst, Spannungen, die zu Aufwerfungen führen. Diese Aufwerfungen werden Quantenpunkte genannt, in die Brehm durch Ionenimplantation ein zusätzliches Fremdatom „einbringt“, das einen Defekt bewirkt. An diesem Defekt werden nun Ladungsträger – Elektronen - eingefangen. Aufgrund eines quantenmechanischen Phänomens, der Heisenbergschen Unschärferelation, ermöglichen es die derart eingesperrten Elektronen, aus Silizium einen direkten Halbleiter und dadurch besseren Lichtemitter zu machen.
Ein erster Durchbruch im Projekt ist bereits Mitte Mai gelungen, der U-Bahnschacht ist sozusagen schon gebaut: Die ersten Quantenpunkt-basierten Leuchtdioden (LED) aus Silizium, die effizient bei Raumtemperatur funktionieren. „Das ist natürlich wichtig, denn wir möchten in Zukunft unsere Computer ja nicht tiefkühlen müssen, um damit arbeiten zu können“, sagt Brehm.
Der nächste Schritt ist nun, einen elektrisch angetriebenen Nano-Laser zu bauen, der auf dem Silizium-Chip integrierbar ist. Dafür braucht es Leuchtdioden und einen Resonator, in dem Lichtsignale über kleinste, perfekt ausgerichtete Spiegel verstärkt werden.
Ziel ist, im LIT einen Prototyp zu entwickeln, an dem dann ForscherInnengruppen weltweit weiter tüfteln können.
„Das Silizium-Photonics-Geschäft ist inzwischen in kürzester Zeit zu einem Milliardenmarkt gewachsen“, sagt Brehm. „Wir stehen hier in Konkurrenz zu ganz großen Playern wie etwa Intel, der University of California in Santa Barbara, dem University College London oder dem Forschungszentrum Jülich.“
Durch den Ersatz der Kupferleitungen durch Lichtleitungen könnte die Rechenleistung von Computern fast beliebig hoch gesteigert werden.
Dr. Moritz Brehm ist PostDoc am Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik der JKU. Er schrieb seine Dissertation bei Prof. Günther Bauer, „der wichtigsten Station in meiner bisherigen Forscherkarriere, da sein weltweites Ansehen überall zu spüren war und er mir trotzdem alle möglichen Freiheiten ließ.“
Schon während der Diplomarbeit war Brehm klar, dass er wissenschaftlich arbeiten möchte: „Hier war der Anfang von prägenden Heureka-Erlebnissen. Und ein Problem selbst zu lösen, zu wissen, dass niemand anderer auf der Welt in diesem Moment das weiß, was ich weiß, - das hat mich ungeheuer motiviert!“
Parallel zu seinem LIT-Projekt leitet Brehm auch ein FWF-Projekt. Dabei untersucht er die Mechanismen, die greifen, wenn ein Fremdatom in einen Silizium-Germanium-Quantenpunkt eingebracht wird. Damit soll das Ausgangsmaterial für den Laser, der im LIT-Projekt entwickelt wird, weiter verbessert werden.
Martyna Grydlik
Johannes Kepler Universität Linz
Altenberger Straße 69
4040 Linz, Österreich
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