Mikroelektronik 02.07.1999, 17:22 Uhr

Photonen helfen Mikroelektronik aus der Klemme

Statt Transistoren photonische Kristalle, Photonen anstelle von Elektronen – das ist das Konzept der Mikrophotonik. Doch bis zu „optischen“ Logikchips ist es noch ein weiter Weg, wie aktuelle Forschungen am MIT zeigen.

Telekommunikation und Chipindustrie haben lebhaftes Interesse an der Mikrophotonik. Sie verspricht einen Ausweg aus zwei der größten Engpässe, vor denen die Chipindustrie künftig stehen wird: Dem Problem der Wärmeabfuhr extrem dicht gepackter Chips mit Strukturen im Nanometerbereich sowie der schwierigen Verbindungstechnik solcher von Siliziumbausteine.
Lionel C. Kimerling, Direktor des Microphotonics Center (MPC) am renomierten Massachussetts Institute of Technology MIT, stellte daher bei der MIT Research Directors Conference die unschuldige Frage: „Wieviel Generationen in der Halbleitertechnik haben wir eigentlich noch vor uns?“. Natürlich weiß auch er, daß die Halbleiter-Technologen für die nächsten zehn Jahre keinen Grund sehen, warum das Mooresche Gesetz nicht weiter gelten sollte. Kimerling argumentiert anders und zitiert dabei Intel, die festgestellt haben:

  • 107 Dollar kostet es jährlich, neue Technologien zu erarbeiten,
  • 108 Dollar werden jährlich gebraucht, um diese neuen Technologien zu nutzen,
  • 109 Dollar braucht man jährlich, um sie in der Fertigung in Form verkaufbarer Produkte zu reproduzieren, Tendenz steigend.

Wenn es also immer teurer wird, den Fortschritt der Mikroelektronik zu finanzieren, dann muß man sich die Frage gefallen lassen, ob nicht wirtschaftliche Grenzen statt der physikalischen die Entwicklung limitieren. Wenn also eine billigere Technologie zur Verfügung stände, die gleichzeitig auch noch die Option eines höheren Informationsdurchsatzes hat, dann müßte nach wirtschaftlichen Gesetzen diese neue Technologie zur „Killer-Technologie“ werden, also die alte Technologie ablösen.
Nun ist ein Teil der Photonik, nämlich die Informationsübertragung via Glasfasern, schon seit mehr als zwanzig Jahren im erfolgreichen Verdrängungswettbewerb mit den Kupferleitungen. Sie bietet heute schon die 100- bis 1000fache Übertragungskapazität auf einem Übertragungsweg verglichen mit der leistungsfähigsten Kupfertechnologie. Es ist also nur folgerichtig, wenn man nun nach den anderen Bausteinen sucht, die für einen vollständigen Ersatz der Mikroelektronik durch die Mikrophotonik nötig sind.
Ein photonischer LSI-Schaltkreis würde niedrige Kosten, hohe Fertigungsausbeute, große Bandbreite und eine vergleichsweise geringe Dichte der internen Verbindungstechnik als Vorteil anbieten. Kimerling definiert als den entscheidenden wirtschaftlichen Faktor für solche Chips: Geschwindigkeit geteilt durch Leistungsverbrauch mal Fläche. Gerade bei der Geschwindigkeit braucht man nicht mit den Problemen zu kämpfen, die Kupfer- oder Aluminiumleitungen auf den heutigen Chips haben: In der Photonik gibt es keine RC-Verzögerung durch Leiterwiderstand und parasitäre Kapazitäten, kein „Skew“ der Taktfrequenz an lebenswichtigen Punkten, d.h. keine Zeitstreuungen für den Takt auf dem Chip, kein Übersprechen zwischen benachbarten Leitungen.
Und die Forscher um Kimerling können schon einiges bieten. Für die optische Signalverteilung auf dem Chip hat man bereits Wellenleiter aus Polysilizium realisiert. Das hört sich einfach an, ist aber doch schwierig zu machen, weil die optische „Rauhigkeit“ des Siliziumleiters stört (sie führt zu inhomogenem Reflexionsgrad an der Faserwand und senkt damit den Wirkungsgrad). Ein Ausweg besteht in Silizium-Multilayern: Genau das hat man realisiert und dabei einen Reflexionsgrad im Leiter von 99 % erreicht. Kleine Krümmungsradien sind ein anderes Problem, weil auch sie zu Übertragungsverlusten führen und zur Ausbildung unerwünschter und leistungsabsorbierender Moden. Aber auch hier gibt es neue Ergebnisse, die der Mikrophotonik Auftrieb geben. Kurvenradien bis herunter zu 1 mm lassen sich bereits realisieren, mit Dämpfungen von etwa 0,5 dB. Ein anderes wichtiges Bauelement sind optische Splitter, Verzweigungen also, mit denen ein Signal auf zwei Zweige aufgeteilt werden kann. Man kann heute bereits solche Splitter mit 20° und 30° Öffnung realisieren bei Einfügungsdämpfungen von 0,76 dB bzw. 1,2 dB. Im Multimodebetrieb lassen sich damit mit einem Splitter bis zu 16 Moden aufteilen.
Ein besonders wichtiger Baustein ist der „photonische Kristall“. Er ist das direkte Pendant zum Transistor. Während dieser Elektronen steuert, steuert der Kristall Photonen. Hergestellt werden solche Kristalle aus Verbindungen von Metallen und dielektrischen Kunststoffen. Die Herstellung ist noch ziemlich schwierig. Einerseits muß man Materialien von hohem und niedrigem dielektrischen Index miteinander kombinieren, andererseits auch noch gezielt Defekte einbauen, um eine spontane Emission von Photonen zu erreichen. Photonische Kristalle können aber optische Signale in Luft übertragen und man kann durch gezielte Störstellen im Kristall diese Signale auch „um die Ecke“ lenken. Das Sandia National Laboratory hat gemeinsam mit dem MIT solche 90°-Umlenktechnik im Kristall erzeugen können.
Photonische Kristalle gibt es mit 1-dimensionalen, 2-dimensionalen und 3-dimensionalen periodischen Strukturen. Wenn sie „konstruiert“ werden, soll – ganz wie bei Halbleitermaterialien – eine vollständige Bandlücke realisiert werden, weil dann der Kristall nahezu perfekt funktioniert. Dieses „Bandgap-Schneidern“ kennt man schon aus er Halbleitertechnik – es ist hier nur bedeutend schwieriger. Aber die Forschung steht ja erst am Anfang und die nächsten Ziele sind klar: Weitere Materialien mit einem dielektrischen Kontrast zwischen 1,3 und 1,7 suchen und finden, die Periodizität der damit realisierten Kristalle klären, eine Einkristall-Orientierung in den verwendeten Co-Polymeren erreichen und schließlich einfache Prozeßtechniken zur Reproduktion finden, die gewünschten Strukturen durch Selbstanordnung sowohl in dünnen Filmen als auch in Volumenmaterial („Bulk“) erreichen.
Nachdenklich fragten die Tagungsteilnehmer, wie schnell denn das Ganze kommen könnte. Schließlich gibt es ja die optische Nachrichtenübertragung schon lange – und auch sie weist alle Eigenschaften auf, die man einer „Killer-Technologie“ zuschreibt: Wachstumsraten weit über dem langjährigen Durchschnitt der Nachrichtentechnik und Bandbreiten, die mit den alten Technologien nicht realisiert werden konnten. Die optische Nachrichtentechnik ist wohl der Startpunkt gewesen für eine neue Basistechnologie, die eindeutig auf Ablösung der alten Übertragungstechniken abzielt. So stellt sich also folgerichtig die Frage: Wie lange dauert es, bis man eine „photonische Logik“ realisieren kann, die zweifelsfrei der elektronischen Logik um ein vieltausendfaches überlegen wäre.
Doch da ließ sich Kimerling nicht aus seiner wissenschaftlichen Sachlichkeit herauslocken: „Photonische Logik? Da sind wir im Augenblick nicht besonders optimistisch“. Und nach einer Pause fügte ein anderer hinzu: „Allerdings ist das auch gegenwärtig nicht unsere Stoßrichtung“. Wir werden also wohl weiterhin noch alle paar Jahre einen neuen PC kaufen, bis irgendwann die photonische Maschine da ist.
KLAUS H. KNAPP
Strukturierte Schichten aus amorphem Silizium sind ein erster Schritt auf dem Weg hin zu sogenannten „Photonischen Bandgap-Kristallen“.
Maßgeschneiderte Kristalle sind Basis der Mikrophotonik: Aus Silizium und Siliziumdioxid wird der photonische „Transistor“ aufgebaut.

Von Klaus H. Knapp
Von Klaus H. Knapp

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