Halbleiter für Licht

Forscher in Karlsruhe sind dem Traum vom optischen Mikrochip, der Information mit Licht verarbeitet, ein großes Stück näher gekommen. Institute rund um die Welt arbeiten derzeit am passenden Rohmaterial, den photonischen Kristallen, also gewissermaßen den Halbleitern für Licht. Lichtsignale schalten in integrierten photonischen Schaltkreisen innerhalb von Pikosekunden, und Störungen eines Pulses durch andere fallen völlig weg, da sich Lichtstrahlen für gewöhnlich ohne Umstände durchdringen. Die Informationskanäle könnten daher wesentlich dichter gepackt werden, als es in der Elektronik der Fall ist.

Photonen, so die Grundidee, verhalten sich in einem photonischen Kristall ganz ähnlich wie Elektronen in „normalen“ Halbleitern, können also auch dementsprechend manipuliert werden. Einen wichtigen Beitrag dazu liefern die Wissenschaftler um Markus Deubel und Martin Wegener vom Zentrum für Funktionelle Nanostrukturen der Universität Karlsruhe (Nature Materials, Bd. 3, S. 444, Juli 2004).

Sie haben ein kostengünstiges und zuverlässiges Verfahren vorgestellt, mit dem sie die Vorstufen zu photonischen Kristallen erzeugen, die Halbleitereigenschaften für Licht zwischen 1,3 und 1,7 Mikrometer zeigen. Diese Wellenlänge ist kein Zufall, sie spielt in der Telekommunikation eine große Rolle.

Dazu sind dreidimensionale Kristalle vonnöten - nicht nur flache, wie sie von vielen Teams gezeigt werden. Leider ist die Herstellung nicht einfach. Die Elementarzellen der Gitter dieser Kristalle sollten einige hundert Nanometer bis einen Mikrometer und mehr messen, damit sie die gewünschte Bandlücke für Photonen aufweisen. Die Forscher müssen diese Gebilde mikrostrukturieren, und entsprechend mannigfaltig sind die Lösungsvorschläge: Mit ausgeklügelten Stapeltechniken beispielsweise schufen mehrere Forschergruppen holzstoßartige Strukturen aus winzigen Halbleiterstäbchen (c't 26/03, S. 84). Beim Einarbeiten von künstlichen Defekten konnten hier kürzlich Forschritte verbucht werden (c't 13/04, S. 56).

In Karlsruhe verfolgt man eine ganz andere Methode, die Ähnlichkeit mit der Lithographie hat. Computergesteuert schreiben die Forscher den photonischen Kristall mit einem fokussierten Laserstrahl Puls für Puls und Punkt für Punkt ein. In seinem winzigen Brennpunkt, und nur dort, verändert sich das Material chemisch und härtet aus. Danach kommt es in eine Entwicklerlösung. Die nicht belichteten Stellen werden herausgewaschen. Übrig bleibt eine kubisch-flächenzentrierte Struktur mit regelmäßigen Hohlräumen darin, die 40 Lagen hoch und beachtliche 0,1 Millimeter breit ist.

Ein Verfahren namens Multi-Photonen-Polymerisation macht die Kristallstrukturen besonders fein und präzise. Trumpf der Forscher ist, dass sie ohne Probleme auch künstliche Defekte und Lichtleitungen in die Strukturen einbauen könnten, um die Halbleiterstruktur für Photonen nach ihren Wünschen zu formen.

Allerdings hat die Gruppe bislang nur die erste Vorstufe zu einem photonischen Kristall geschaffen. Der verwendete Photolack hat nämlich nicht den nötigen Brechungsindex um 3 und höher, der für die Bandlücke unerlässlich ist und im Infrarotlicht von Halbleitern wie Silizium und Germanium erreicht wird.

Der nächste Schritt ist deshalb, die Photolack-Struktur als Ausgießform zu nutzen und damit ein Abbild aus Silizium zu erstellen. Die Forscher wollen die Form mit Siliziumdioxid ausfüllen und danach den Photolack entfernen. In dieses Negativ soll schließlich Silizium eingebracht und das Siliziumdioxid zuletzt weggeätzt werden. So erhalten sie eine Kopie der ersten Struktur und damit den erwünschten echten photonischen Siliziumkristall.

Dem „Verdrahtungs- und Architekturproblem“ - an dem auch viele andere Gruppen arbeiten - wird damit ernsthaft zu Leibe gerückt. Doch auch das Ein- und Auskoppeln der Lichtsignale in die Kristalle bereitet noch große Schwierigkeiten. Erst wenn diese und andere Hürden fallen, ist die Bahn frei für Photonen in integrierten Schaltkreisen.

Weitere Forschungsgruppen arbeiten an ähnlichen Verfahren. Physiker des Centre for Micro-Photonicsan der Swinburne University of Technology in Melbourne, Australien, formten in einem Photopolymer mit Laserstrahlen dreidimensionale Strukturen. Um öffentlichkeitswirksam die Eignung des Verfahrens für photonische Kristalle zu demonstrieren, formten die Forscher mit ihrer Methode das Opernhaus von Sydney in einer Größe von etwa 40 mal 65 Mikrometern. (jr) (jr)