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Optisches Rechnen

Rauscharme Lawinenphotodetektoren lassen sich monolithisch in die Siliziumtechnologie integrieren.

Quelle: Physik Journal, April 2010, S. 17


	Abb.: Ein Array aus Lawinenphotodetektoren lässt sich in bestehende Fertigungstechnologien integrieren. (Bild: IBM)

Bei heutigen Computerchips haben die Entwickler wegen der steigenden Taktfrequenzen immer stärker mit unerwünschten Leckströmen zu kämpfen. Als ein Ausweg aus diesem Dilemma gilt die rein optische Datenverarbeitung auf Mikrochip-Ebene. Bis zum optischen Computer ist es allerdings noch ein Stück, bislang konzentrieren sich Forschungsarbeiten auf die Entwicklung von einzelnen Komponenten. Dabei ist Wissenschaftlern von IBM nun ein weiterer Schritt gelungen: Sie haben einen Lawinenphotodetektor entwickelt, der sich monolithisch in die aktuelle Siliziumtechnologie integrieren lässt. Lawinenphotodetektoren aus Germanium können schwache optische Signale verstärken, haben jedoch den Nachteil, dass sie ein starkes Eigenrauschen besitzen. In der Vergangenheit ist es gelungen, dieses Problem zu umgehen, indem entsprechende Labormuster die Germaniumschicht nur zur Detektion der Lichtsignale nutzten, während die Lawinenverstärkung in einer separaten Siliziumschicht stattfand. Allerdings begrenzen die relativ dicken Halbleiterschichten, die in solchen Strukturen erforderlich sind, die Lawinendetektoren auf relativ geringe Geschwindigkeiten von etwa 10 GHz. Auch wegen der hohen Vorspannungen in der Größenordnung von 25 V ließen sich solche Detektoren nicht in die Siliziumtechnologie integrieren.

Den IBM-Wissenschaftlern ist es nun dagegen gelungen, einen Germaniumlawinendetektor zu integrieren, seine Vorspannung auf 1,5 V zu senken und sein Eigenrauschen um 50 bis 70 Prozent zu verringern. Er ist in einen On-Chip-Wellenleiter integriert: Die Germaniumschicht befindet sich auf einer isolierenden Oxidschicht, die wiederum den Siliziumwellenleiter bedeckt. Der Lawinendetektor ist durch Wolframkontakte auf seiner Oberfläche vorgespannt, von denen Kupferleiterbahnen abgehen. Die Dicken der Germanium- und Siliziumschichten haben die Forscher so gewählt, dass sie die höchste Ansprechempfindlichkeit bei kleinstmöglicher Anschlussfläche erreichen. Sie sind nur 140 nm (Ge) beziehungsweise 100 nm (Si) dünn und 750 beziehungsweise 550 nm breit.

Da die Wolframzapfen direkten Kontakt zur Germaniumschicht haben, bilden sie eine Reihe von Metall-Halbleiter-Metall-Schottky-Dioden über die gesamte Länge der Photodiode. Es bildet sich ein stark inhomogenes elektrisches Feld aus, das für den Lawineneffekt verantwortlich ist. Da die Höhe der entstehenden Impakt-Ionisationszone in der Germaniumschicht nur 30 nm beträgt, sinkt das Eigenrauschen des Detektors stark. Das Labormuster kann optische Signale mit einer Rate von 40 Gigabit pro Sekunde empfangen und sie gleichzeitig ums Zehnfache verstärken.

Michael Vogel