Siliziumchip mit integriertem Nano-Laser

Physiker der TU München lassen Nanodrähte auf Silizium-Oberflächen wachsen, um sie anschließend als Infrarot-Laser zur optischen Datenübertragung zu nutzen. *Bild: TUM*

Physiker der Technischen Universität München (TUM) haben ein neues Herstellungsverfahren entwickelt, um sogenannte Nanodraht-Laser direkt auf Siliziumchips wachsen zu lassen. Solche Nanodrähte bestehen aus Materialien der chemischen Hauptgruppen III und V (Borgruppe, Stickstoff-Phosphor-Gruppe), die in Kombination Halbleiter-Eigenschaften aufweisen.

Regt man die Halbleiter-Nanodrähte energetisch an, emittieren sie Infrarotlicht, was sich für schnelle optische Datenübertragungen auf Chipebene nutzen lässt. Problematisch erwies sich bislang allerdings die Verbindung der Nanodraht-Laser mit der Silizium-Oberfläche.

„Die beiden Materialien haben unterschiedliche Gitterabstände und unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Das führt zu Spannungen“, erläutert Dr. Gregor Koblmüller vom Lehrstuhl für Halbleiter-Nanostrukturen und -Quantensysteme der TU München. „Dampft man zum Beispiel Galliumarsenid flächig auf Silizium auf, treten Defekte auf.“

Die TUM-Physiker umgehen dieses Problem, indem sie Galliumarsenid-Nanodrähte aufrecht auf dem Silizium wachsen lassen. Ihre Grundfläche beträgt dadurch lediglich wenige Quadratnanometer. Defekte können die Wissenschaftler so weitgehend vermeiden.

Damit die Nanodrähte als Laser funktionieren, ist allerdings noch ein weiterer Griff in die Trickkiste nötig. Denn um kohärentes Licht zu erzeugen, müssen die Photonen am oberen und am unteren Ende der Nanodrähte reflektiert werden. Erst dadurch verstärkt sich der Lichtpuls, bis er die gewünschte Leistung erreicht hat.

„Da der Übergang zwischen Galliumarsenid und Silizium dafür nicht genug Licht liefert, haben wir einen Extra-Spiegel eingebaut – eine 200 Nanometer dünne Siliziumoxid-Schicht, die auf das Silizium aufgedampft wird“, erklären die Wissenschaftler.

In diese Spiegelschicht ätzen die Forscher feine Löcher, in denen die vorgesehenen Halbleiter-Nanodrähte dann durch geordnetes Kristallwachstum (Epitaxie) Atomlage für Atomlage aufgebaut werden. Ragen die Nanodrähte über die Spiegelfläche hinaus, dürfen sie auch in die Breite wachsen – bis der Halbleiter dick genug ist, dass sich Photonen in ihm bewegen und die Aussendung weiterer Lichtteilchen anregen können.

„Dieser Prozess ist sehr elegant, weil wir die Nanodraht-Laser so direkt auf Wellenleiter im Siliziumchip positionieren können“, verdeutlicht Physiker Koblmüller. Zur Anregung der Nanodrähte verwenden die Wissenschaftler derzeit allerdings noch externe Laser. „Als Nächstes wollen wir eine Stromschnittstelle schaffen, damit wir die Nanodrähte elektrisch betreiben können und keine externen Laser mehr benötigen“, sagt Koblmüller. (pmz@ct.de)

HPI stellt „Eigentumsfrage bei medizinischen Daten“

Professor Christoph Meinel, Direktor des Hasso-Plattner-Instituts für Softwaresystemtechnik (HPI), will medizinische Patientendaten künftig verstärkt für Forschungszwecke nutzen. *Bild: HPI*

Wem gehören medizinische Patientendaten, etwa bei Krebserkrankungen? Dem Patienten? Dem erhebenden Arzt? Dem datenverarbeitenden Krankenhaus? Der Krankenkasse als Kostenträger? Der Allgemeinheit? Für Professor Christoph Meinel, Direktor des Hasso-Plattner-Instituts für Softwaresystemtechnik (HPI) in Potsdam, ist jedenfalls klar, dass auch die internationale Forschung Zugriff auf diese Daten haben sollte. Insbesondere bei individualisierten Krebstherapien spiele die Zusammenführung und Analyse medizinischer Daten „eine zentrale Rolle“, sagte der HPI-Chef anlässlich des Weltkrebstages 2016.

Würden künftig mehr Daten ausgetauscht als bisher, könnte das für Tumorpatienten in Deutschland beispielsweise bedeuten, dass Ähnlichkeiten zwischen dem genetischen Fingerabdruck ihres Tumors und denen weiterer Patienten weltweit identifiziert werden, heißt es beim Hasso-Plattner-Institut. Auf dieser Grundlage ließe sich dann präziser entscheiden, welche individuelle Chemotherapie für einen Patienten erfolgversprechend sei und welche nicht. Sollte der nötige Datenaustausch hierzulande wegen „fehlender rechtlicher Sicherheit“ hingegen nur unzureichend umgesetzt werden, drohe Deutschland „den Anschluss an wichtige Entwicklungen in der Medizin zu verpassen“, warnt Meinel.

„Es muss deshalb dringend geklärt werden, wem die Patientendaten gehören und wie sie besser für die Forschung eingesetzt werden können“, fordert Informatikwissenschaftler Meinel. Das HPI, das selbst an diversen Big-Data-Lösungen für den Gesundheitssektor forscht, hat dafür auch gleich eine Lösung parat: den sogenannten Datenspendepass. „Patienten sollten den Zugriff auf krankheitsrelevante Daten, wie etwa Tumor- und Labordaten, für ausgewählte Forschungszwecke selbst verwalten können“, sagt Dr. Matthieu-P. Schapranow, E-Health-Spezialist am HPI. „Analog zum Organspendeausweis wäre deshalb die Einführung eines Datenspendepasses denkbar.“

Ihre Einwilligung zur Datenweitergabe könnten Patienten nach Vorstellung des HPI dann beispielsweise über eine Smartphone-App erteilen. Eine entscheidende Rolle für die Akzeptanz solcher Vorhaben spiele jedoch die Anonymisierung der Daten, unterstreicht das Hasso-Plattner-Institut. Es sei wichtig, dass eine Anfrage in einer Datenbank „niemals Rückschlüsse auf eine bestimmte Einzelperson oder eine kleine Personengruppe zulässt“. Die Klärung dieser Fragen sei komplex – aber unumgänglich, um Patienten Zugang zur bestmöglichen Behandlung auf die individuelle Diagnose zu ermöglichen, betont Schapranow.

Auf der diesjährigen CeBIT (14. bis 18. März in Hannover) stellt das Hasso-Plattner-Institut für Softwaresystemtechnik gleich mehrere Projekte aus dem Bioinformatik-Umfeld vor. Dazu gehören unter anderem die Cloud-Plattform „Analyze Genomes“ sowie das Forschungsprojekt SAHRA (Smart Analysis – Health Research Access), eine webbasierte Analyseplattform, die auf diverse Behandlungs-, Abrechnungs-, Studien- und Registerdaten des deutschen Gesundheitswesens zugreift. Zu finden ist das HPI in Halle 6 (Stand D18). (pmz@ct.de)

Carolinchen tanzt

Beim Carolo-Cup für autonome Modellfahrzeuge treten Studententeams gegeneinander an. Der Kreativität beim Hard- und Software-Design sind kaum Grenzen gesetzt.

In der Stadthalle Braunschweig ist der 9. Carolo-Cup für autonome Modellfahrzeuge ausgetragen worden. Der von der Technischen Universität Braunschweig veranstaltete Wettbewerb richtet sich an Studenten der Fachrichtungen Informatik, Elektrotechnik und Ingenieurwissenschaften.

Ziel beim Carolo-Cup ist es, ein Modellfahrzeug im Maßstab 1:10 von Grund auf selbst zu entwickeln, das autonom einen kurvigen Rundkurs absolviert, dabei Hindernissen ausweicht und zudem in der Lage ist, Parklücken zu erkennen und selbstständig einzuparken.

Außerdem mussten die 15 teilnehmenden Teams eine Fachjury von ihren Hard- und Softwarekonzepten überzeugen. Zu den Bewertungskriterien zählten neben einer zuverlässigen Spurführungs- und Einparklösung auch eine möglichst kostengünstige Herstellung sowie ein geringer Energieverbrauch der rein elektrisch angetriebenen Fahrzeuge. Faktoren wie Projektmanagement und Dokumentation flossen ebenfalls in die Gesamtbewertung ein.

Bei den dynamischen Disziplinen (Fahren ohne Hindernisse, Fahren mit Hindernissen, Parken) standen Zeit und Präzision im Vordergrund: Nur wer die geforderten Aufgaben schnell und möglichst fehlerfrei absolvierte, hatte Chancen auf eine gute Platzierung. Die Orientierung auf der Strecke erfolgt beim Carolo-Cup über Frontkameras (Liniendetektion), zur Objekterkennung werden außerdem Ultraschall- und Infrarotsensoren sowie Lidar und 3D-Tiefenkameras eingesetzt.

Video: 9. Carolo-Cup für autonome Modellfahrzeuge

Gewonnen hat am Ende das Team „Crazy Dancing Little Caroline“ (CDLC) der TU Braunschweig. Die Vorjahreszweiten lieferten mit ihrem Fahrzeug „Carolinchen“ die ausgeglichenste Leistung auf dem rund 90 Meter langen Rundkurs ab und überzeugten auch bei der Präsentation ihres Fahrzeugkonzepts. Belohnt wurde der Gesamtsieg mit einem Preisgeld von 5000 Euro. Den zweiten Platz (3000 Euro) belegte das Team „GalaXIs“ der RWTH Aachen. Das Preisgeld in Höhe von 2000 Euro für den dritten Platz schnappten sich die „ISF Löwen“, ebenfalls von der TU Braunschweig. (pmz@ct.de)

Bilder und Videos vom Carolo-Cup 2016: ct.de/yxd1