2 SILIZIUM ALS GRUNDSTOFF DER COMPUTERTECHNOLOGIE
2.1 Silizium
Im Periodensystem der Elemente ist Silizium das Element mit der Ordnungszahl 14 und dem Symbol Si. Es befindet sich in der 4. Hauptgruppe und gehört damit zur Kohlenstoffgruppe. Es ist Teil der 3. Periode. Ein großer Vorteil gegenüber anderen Materialien und der Grund, warum es sich etwa gegenüber Germanium durchsetzen konnte, ist sein häufiges Vorkommen: etwa ein Viertel der Erdkruste besteht aus Silizium.
2.1.1 Grundlagen Halbleiter
Um die Funktionsweise eines Transistors und den daraus resultierenden komplexeren integrierten Schaltungen zu verstehen, muss zunächst erläutert werden, was einen Halbleiter von einem Nichtleiter oder Leiter unterscheidet. Leiter sind in der Regel Metalle, in denen freie Elektronen als Elektronengas vorliegen, was bedeutet, dass sich die Valenzelektronen eines jeden Atoms frei innerhalb der Verbindung bewegen können. Nichtleiter oder auch Isolatoren sind Stoffe, in denen keine freien Ladungsträger in Form von Elektronen vorliegen. Das Besondere an Halbleitern ist die charakteristische Leitfähigkeit, die zwischen der von Leitern und Nichtleitern liegt. Diese kommt durch Defektelektronen der Valenzelektronen zustande, welche durch Anregung ein höheres Energieniveau erreichen und eine Lücke zurücklassen, die gefüllt werden muss, was aber nur unter Bildung einer Lücke im Nachbarsatom geschehen kann. Durch dieses Wandern der Lücke kommt ein Elektronenfluss, d. h. ein elektrischer Strom, zustande.
Ein Modell dafür ist das sogenannte Bändermodell. Valenzelektronen haben laut Orbital-Atommodell ein festes Energieniveau, das jedoch den Wechselwirkungen von Nachbaratomen ausgesetzt ist. Durch die hohe Teilchenanzahl lässt sich das genaue Energieniveau nicht mehr genau bestimmen; man hat nur noch einen Bereich, auch Band genannt, in dem es sich befindet. Dieser ist für Leiter-Elektronen auf einem höheren Niveau, und zwischen der unteren Grenze des Leiterbandes und der oberen Grenze des Valenzbandes befindet sich eine Lücke, die es zu überwinden gilt. Bei Halbleitern ist diese von der Temperatur abhängig: Bei steigender Temperatur wird sie kleiner. Da diese Energiezufuhr in der Praxis untauglich ist, muss man auf andere Methoden ausweichen, um die Lücke zwischen Leiter- und Valenzband zu schließen. Eine Möglichkeit ist die sogenannte Dotierung (siehe Kapitel 2.3.4).
Silizium ist ein Halbleiter, was es ermöglicht, verschiedene elektronische Komponenten wie beispielsweise Prozessoren und volatilen Speicher, auch Random Access Memory (RAM) genannt, herzustellen. In dieser Arbeit wird sich hauptsächlich mit Prozessoren beziehungsweise Recheneinheiten auseinandergesetzt.
2.2 Herstellung von Transistoren
2.2.1 Reinigung von Silizium
Silizium in seiner natürlichen Form ist nicht rein genug für die Herstellung von Computerchips. Daher muss es isoliert und gereinigt werden. Ein erster Schritt ist die Umsetzung von Quarz (SiO2) mit Kohlenstoff bei 1460 °C, wobei reineres, aber immer noch leicht verunreinigtes Silizium zurückbleibt:
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Danach kommt das Siemensverfahren zum Einsatz, bei dem mittels Destillation Unreinheiten beseitigt werden. Roh-Silizium wird mit Chlorwasserstoff (HCl) bei ca. 300 °C umgesetzt, wodurch Trichlorsilan (SiHCl3) und Wasserstoff (H2) entstehen:
Si + 3HCl → SiHCl3 + H2
Die enthaltenen Fremdstoffe verbinden sich ebenfalls mit dem Chlor und gehen bei höherer Temperatur in den gasförmigen Aggregatszustand über. Die Reversibilität dieser Reaktion wird dann genutzt, um gereinigtes Silizium in polykristalliner Form zu erhalten, indem Wasserstoff hinzugefügt wird:
SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl
4SiHCl3 → Si + 3SiCl4 + 2H2
Zur Entfernung letzter Unreinheiten wird eine Zonenreinigung im Vakuum durchgeführt. Ein hochfrequenter Wechselstrom wird um die Siliziumstäbe geleitet, wodurch Fremdatome aufgrund ihrer höheren Löslichkeit nach unten sinken.
2.2.2 Herstellung von Siliziumwafern
Um Silizium für die Chipproduktion nutzbar zu machen, muss es in monokristalliner Form vorliegen. Dazu kommt das Czochralski-Verfahren zum Einsatz. In einem Quarztiegel wird das Rein-Silizium geschmolzen, und ein Impfkristall aus reinem Silizium wird auf die Oberfläche gebracht. An diesem erstarrt das geschmolzene Silizium sofort, und der Kristall wächst. Unter ständiger Drehung des Impfkristalls und des Tiegel (in entgegengesetzter Richtung) wird dieser nach oben gezogen, und es bildet sich ein Barren aus monokristallinem Silizium.
Die Monokristalle werden dann in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten. Dies kann mit einer Innenlochsäge erfolgen, die mit Diamantsplittern besetzt ist, um eine hohe Genauigkeit beim Sägen zu gewährleisten. Alternativ kann das Drahtsägen angewendet werden, wobei ein langer Draht verwendet wird, der mit einer Suspension aus Siliziumcarbidkörnern benetzt ist. Der Draht schneidet den Siliziumkristall in mehrere Wafer, während er sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 m/s bewegt.
2.2.3 Die Dotierung
Wie bereits erläutert, zielt die Dotierung darauf ab, den Abstand zwischen den Energieniveaus der Valenzelektronen und der Leiterelektronen zu verringern. Dies geschieht durch das Einbringen von Fremdatomen ins Kristallgitter, die entweder ein zusätzliches Valenzelektron (n-Dotierung) oder ein fehlendes Valenzelektron (p-Dotierung) besitzen.
Die Dotierung wird durch verschiedene chemische und physikalische Verfahren durchgeführt.
2.2.4 Der p-n Übergang
Wenn zwei Zonen, eine n-dotiert und eine p-dotiert, nebeneinander liegen, entsteht der sogenannte p-n Übergang. Hierbei werden die hinzugefügten Löcher durch die p-Dotierung und die zugefügten Elektronen der n-Dotierung voneinander angezogen, was zur Bildung einer neutral geladenen Zone führt. Aufgrund des Elektronenüberschusses auf der n-dotierten Seite und des Elektronenmangels auf der p-dotierten Seite bildet sich jedoch ein elektrisches Feld aus, das einen weiteren Übergang verhindert.
Wenn versucht wird, Strom durch diesen Übergang zu leiten, muss die angelegte Spannung den Wert des elektrischen Feldes übertreffen und diesem entgegenwirken. Nur so ist ein Elektronenfluss möglich.
2.2.5 Von der Diode zum Transistor
Durch die Anordnung von drei Zonen, wobei sich zwischen zwei n-dotierten Zonen eine p-dotierte Zone befindet, erhält man zwei Dioden. In dieser Konfiguration findet aufgrund des p-n Übergangs kein Stromfluss statt. Wenn jedoch die p-dotierte Zone einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, werden die Elektronenlöcher angezogen und die p-n Übergänge verschwinden. Dies ermöglicht einen Stromfluss zwischen den beiden n-dotierten Zonen.
Die Anordnung der p- und n-dotierten Zonen ist dabei variabel und kann auch vertauscht sein. Diese elektronische Schaltung, die es ermöglicht, den Stromfluss zu steuern, nennt man Transistor. Transistoren sind essentielle Bauteile der Computertechnik, da sie logische Verknüpfungen wie das "UND"-Gatter realisieren können. Diese Schaltung ermöglicht beispielsweise die Addition im Binärsystem, indem Stromfluss durch "1" und fehlender Stromfluss durch "0" repräsentiert wird.
2.3 Aktuelle Entwicklung zum Gate-all-around Transistor und weiter
Der folgende Abschnitt beleuchtet die Entwicklungsgeschichte der Transistortechnologie der letzten Jahrzehnte und diskutiert potenzielle Grenzen zukünftiger Fortschritte.
2.3.1 Moores Gesetz
Silizium bietet die bemerkenswerte Eigenschaft, auf mikroskopischer Skala bearbeitet werden zu können, wodurch es möglich ist, Silizium auf dem heutigen Stand der Technik in Größenordnungen von Nanometern zu verarbeiten. Diese Skalierbarkeit wurde auch von Moore erkannt, einem der Mitbegründer des Chipherstellers Intel, der 1965 anhand von Beobachtungen formulierte, dass sich alle 2 Jahre die Transistordichte auf einem Chip verdoppelt. Dieses Gesetz wird seitdem als eine Art selbsterfüllende Prophezeiung betrachtet, insbesondere weil Moore eine führende Figur bei Intel war. Es wurde jedoch mehrmals aktualisiert, um mit dem Stand der Technik Schritt zu halten. In den letzten 50 Jahren wurden Prognosen und Zukunftspläne immer wieder an Moores Gesetz angepasst. Vor 2008 wurde dies hauptsächlich durch die physische Verkleinerung von Transistoren erreicht. Je kleiner jedoch die Transistoren wurden, desto schwieriger wurde es, diesen Trend durch bloße Verkleinerung aufrechtzuerhalten.
2.3.2 Physikalische Grenzen der Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit
Eine wichtige Überlegung betrifft die physikalische Grenze der Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit. Unterschiedliche Limits werden oft diskutiert und modellhaft betrachtet. Eine häufig zitierte Betrachtung zeigt auf, dass bei herkömmlichen Silizium-Halbleitern, sowohl den aktuellen als auch zukünftigen, eine Verkleinerung ab einem bestimmten Punkt immer zulasten anderer Leistungsfaktoren erfolgt. So führt zum Beispiel eine Erhöhung der Energiedichte zwangsläufig zu einer Reduktion der Schaltgeschwindigkeit.
Weiterhin wurde mithilfe quantenmechanischer Berechnungen herausgefunden, dass das Limit für die Schaltzeit bei 40 Femtosekunden (fs) liegt und das Limit der Gategröße bei etwa 1,5 Nanometern (nm). Dies ist unter anderem auf den Tunneleffekt zurückzuführen, welcher es Elektronen ermöglicht, dünne Barrieren auch ohne die dafür eigentlich nötige Energie zu durchqueren.
Die letzte unumgängliche Limitierung bei Raumtemperatur ist der Unterschwelleneffekt. Dieser ist ein Problem geworden, da die zunehmende Verkleinerung mit einer niedrigeren Betriebsspannung einherging, was wiederum die Schaltgeschwindigkeit senkte. Um dem entgegenzuwirken, wurde die Schwellspannung gesenkt. Das ermöglicht, dass ein Strom fließt, auch wenn der Transistor aus ist.
Obwohl die aktuelle Massenproduktion von Transistoren noch von diesen theoretischen Grenzen entfernt ist, hat sie mit anderen Effekten zu kämpfen.
2.3.3 Short-Channel-Effekte
Selbst bei herkömmlichen Metalloxidfeldeffekttransistoren, auch bekannt als MOSFETs (s. 2.3.6), treten ab einer Strukturgröße, insbesondere der Gate-Größe, von etwa 100 Nanometern vermehrt sogenannte Short-Channel-Effekte auf. Diese treten auf, wenn die Länge des Gates, bezeichnet als Lgate, kleiner oder gleich der gemeinsamen Länge der p-n Übergangsregionen ist.
Der bedeutendste dieser Effekte ist der Drain-Induced-Barrier-Lowering-Effekt, auch DIBL genannt. Dieser entsteht durch eine Spannung, die am Drain anliegt: Diese Spannung vergrößert die p-n Übergangsregion und erleichtert es den Elektronen, auch ohne Spannung am Gate, ins Leitungsband zu gelangen und den Transistor zu durchqueren. Dies stellt eine erhebliche Problematik dar, da dies bedeutet, dass der Stromverbrauch im passiven Zustand nahezu so hoch ist wie im aktiven Zustand. In einer Zeit, in der lange Akkulaufzeiten von Mobilgeräten erwartet werden, ist dies äußerst unerwünscht.
2.3.4 Fin-Feldeffekttransistor und Weiterentwicklungen
Eine effektive Möglichkeit, das Problem des Short-Channel-Effekts zu umgehen, besteht darin, den verfügbaren Raum besser zu nutzen. Während bisherige Transistoren planar gearbeitet haben, d.h. sie hatten keine Höhe, bietet sich nun die Möglichkeit, das Gate über eine Finne zwischen Quelle (Source) und Abfluss (Drain) zu verwenden. Diese Art von Transistor wird als Fin-Feldeffekttransistor, kurz FinFET, bezeichnet (siehe Abbildung 8). Zusätzlich zum räumlichen Aufbau beeinflusst auch das Dielektrikum zwischen Gate und Substrat die Kontrolle, die das Gate über den Transistor ausübt: Die Wahl eines Materials mit hoher Dielektrizitätskonstante k, wie Hafniumoxid (HfO2), erhöht die Kapazität am Gate und somit die Kontrolle über den Transistor. Durch die Erschließung des zusätzlichen Raums wird auch die effektive Kanalbreite erhöht, da nun Dielektrikum von drei Seiten aufgebracht werden kann, was zu einer weiteren Verbesserung der Kontrolle führt. Die Dicke dieser Schicht hat in heutigen Transistoren mit einer Stärke von 1,5 nm ihr praktisches Minimum erreicht, da bei weiterer Verdünnung Elektronen durch den Tunneleffekt diese Barriere einfach durchqueren könnten.
Diese Änderungen ermöglichen es, die Short-Channel-Effekte durch eine bessere Kontrolle über den Elektronenfluss zu minimieren und die Miniaturisierung voranzutreiben, was wiederum die Transistordichte und Leistungsfähigkeit erhöht. Zudem werden durch die Verwendung solcher Strukturen schnellere Schaltgeschwindigkeiten bei niedrigerer Betriebsspannung möglich, was sich positiv auf die Rechenleistung auswirkt. Allerdings bringen diese Veränderungen auch erhebliche Herausforderungen mit sich. Die Komplexität der Nanostrukturen macht die Fertigung unzuverlässiger, was in diesem Kontext fehleranfälliger und vor allem teurer bedeutet. Die Grenzen dieser Technologie werden nach knapp 10 Jahren Massenfertigung erreicht.
Diese Nachfolgendetechnologie nennt sich Gate-all-around-Feldeffekttransistor, kurz GaaFET, und ist die logische Weiterentwicklung des FinFETs. Hierbei ist die Verbindung von Source und Drain vollständig vom Gate umhüllt, was eine noch größere effektive Kanalbreite ermöglicht. Man spricht auch von Nanokabeln. Durch diese Struktur ist es möglich, mehrere solcher Transistoren übereinander zu stapeln, was die Dichte weiter erhöht. Ein großer Vorteil von GaaFETs ist die niedrigere Spannungsschwelle von nur 0,3 V. Dadurch wird es möglich, Geräte zu bauen, die einen geringeren Stromverbrauch im Standby-Modus haben. Diese Technologie ermöglicht auch den Bau von mehreren Kanälen übereinander, was eine Verdichtung pro Fläche bedeutet. Vorhersagen gehen davon aus, dass diese Technologie bis etwa 2028 verwendet werden kann. Ein Limit, das damit erreicht wird, ist jedoch die Größe der Transistoren selbst. So schreibt die IEEE in ihrem IRDS-Report von 2022, dass diese ab 2024 nicht mehr substanziell kleiner werden. Zudem treten ab einer Breite der Finnen von 10 nm Quanteneffekte auf. Eine experimentelle Weiterentwicklung löst diese Probleme auf andere Weise.
Es handelt sich um den Komplementär-Feldeffekttransistor. Während man bisher mehrere p-dotierte Nanokabel übereinandergestapelt hat, will man nun abwechselnd n und p dotierte Nanokabel übereinander Stapeln. Dadurch wird es möglich die Abstände zwischen diesen noch weiter zu Verringern da man nicht mehr auf undotierte Zonen zur Isolation angewiesen ist. Das hat zufolge das der Fußabdruck weiter sinken kann.
Mit den oben beschriebenen Technologien kommt man in eine Größenordnung, in der die bis dahin verwendete Fotolithografie nicht mehr zur Chipfertigung verwendet werden kann. Mögliche Alternativen zur Fotolithografie sind beispielsweise die Elektronenstrahllithografie, die Extreme Ultraviolet Lithography (EUVL), die Mehrstrahlige Maskenlithografie (Multi-Beam Mask Lithography) oder die Nanoprägelithografie.
Insgesamt erscheint es fragwürdig, ob man diese technologischen Fortschritte beliebig kombinieren kann, denn je höher die Dichte der Transistoren ist, desto höher der Stromverbrauch und damit die in Form von Wärme abgestrahlte Verlustleistung. Für dieses prinzipielle Probleme wurde bis Stand 2023 noch keine Lösung gefunden, und dementsprechend gibt es zwei Optionen: Entweder man findet eine Lösung, oder man versucht auf andere Art und Weise, wie zum Beispiel durch effizientere Algorithmen, einen Zuwachs der Rechenleistung zu erreichen.
2.4 Neue Technologien und Anwendungsaussichten
Die Grenzen der Siliziumtechnologie dürften voraussichtlich noch vor 2040 erreicht sein. Im Nachfolgenden erhalten Sie einen Überblick über potenzielle zukünftige Technologien und Alternativen zu Silizium.
2.4.1 Quantencomputer auf Siliziumbasis
Quantencomputer sind eine häufig diskutierte Anwendung in den Medien und gelten als eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Ein bemerkenswertes Beispiel ist Google, dem es mithilfe eines Quantencomputers gelang, eine Rechenaufgabe in 200 Sekunden zu lösen, während ein herkömmlicher Supercomputer dafür etwa 10.000 Jahre benötigt hätte.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern, die auf dem Binärsystem basieren und daher diskrete Zustände verwenden, nutzen Quantencomputer sogenannte Qubits, die mehr als einen tatsächlichen Zustand haben können und sich in einer Überlagerung zwischen 0 und 1 befinden. Dadurch werden bestimmte Berechnungen, insbesondere in der Kryptographie, erheblich vereinfacht. Dennoch stellen Quantencomputer keineswegs eine Alternative zu herkömmlichen von-Neumann-Rechnern dar und werden diese nicht ersetzen.
Quantencomputer können als eine Kombination von drei Teilen betrachtet werden: eine Quantenberechnungseinheit, auf der sich die Qubits befinden, eine Schnittstelle, die diese Qubit-Information entschlüsselt und an herkömmliche elektronische Schaltungen weiterleitet, sowie eine herkömmliche Recheneinheit, die diese Informationen verarbeitet. Alle drei Komponenten können aus Silizium mithilfe der heute verwendeten Verfahren hergestellt werden, was eine gemeinsame Fertigung ermöglicht - eine Voraussetzung für die Skalierbarkeit solcher Systeme.
Da die Herstellung von Quantencomputern noch nicht standardisiert ist und sich noch in der experimentellen Phase befindet, gibt es verschiedene Ansätze. Neben herkömmlichen elektronischen Schaltungen werden auch optoelektronische Schaltungen entwickelt, beispielsweise in China. Die Eigenschaften, die es ermöglicht haben, Silizium auf nanoskopischer Skala zu bearbeiten, können auch bei dieser neuen Technologie genutzt werden. Einem Team ist es gelungen, Spin-Qubits auf einem 300-mm-Wafer herzustellen.
2.4.2 Galliumnitrid
Angesichts der unvermeidlichen physikalischen Grenzen von Silizium wird seit einiger Zeit intensiv nach Werkstoffen gesucht, die diese Grenzen nicht besitzen oder diese sogar zu ihrem Vorteil nutzen können. Es wird derzeit an verschiedenen Materialien geforscht, einige basieren auf Silizium, wie zum Beispiel Siliciumcarbid (s. u.), während auch Materialien auf der Basis anderer Elemente diskutiert werden, wie zum Beispiel Galliumnitrid (GaN). Dies wird durch vermeintlich bessere Eigenschaften wie höhere Energieeffizienz und schnellere Schaltgeschwindigkeiten im Vergleich zu Silizium unterstützt. Allerdings stehen GaN auch Hürden gegenüber, die es für Hochleistungsanwendungen in der Computertechnik unpraktikabel machen. Logische Schaltungen erfordern diskrete An- und Auszustände, die zwar auf GaN-Basis realisiert werden können, jedoch die Skalierbarkeit beeinträchtigen, die ein treibender Faktor in der Computertechnik ist [24]. Zusammenfassend ist es unwahrscheinlich, dass GaN-Halbleiter außerhalb ihrer Stärken, wie beispielsweise in der Hochspannungselektronik, Silizium-Halbleiter ersetzen werden.
2.4.3 Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistor
Wie bereits erwähnt, nähert sich die Halbleiterindustrie einem Punkt, an dem es immer schwieriger wird, funktionierende Feldeffekttransistoren (FETs) herzustellen, wenn sie weiter verkleinert werden. Gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation lässt sich ableiten, dass ab einer Gate-Länge von L = 1,5 nm keine funktionalen Transistoren mehr hergestellt werden können, da Elektronen ab dieser Größe aufgrund des Tunneleffekts die Isolationsschichten durchdringen können. Doch schon vor Erreichen dieser Größenordnung erweisen sich herkömmliche FinFETs, GaaFETs und CFETs aufgrund ihres hohen Leistungsverlusts als unpraktikabel.
Eine Alternative sind Kohlenstoffnanoröhren-Transistoren, auch bekannt als CNT-FETs, die es ermöglichen, sich dem kritischen Wert von 1,5 nm anzunähern. Forschern der Peking-Universität gelang es erstmals im Jahr 2017, solche Transistoren mit einer Gate-Länge von 5 nm herzustellen. Diese überlegen herkömmlichen Transistoren nicht nur in Bezug auf die Gate-Länge, sondern auch hinsichtlich der Schaltlatenz, der Energie-Verzögerungsprodukt (EDP) und der Trägerdichte. Damit nähern sie sich den theoretischen Grenzen an.
Diese Transistoren funktionieren aufgrund des Quantentunnelings, wie im nächsten Kapitel erläutert wird. Obwohl sie Silizium als primären Werkstoff ersetzen könnten, würde Silizium dennoch in ihrer Herstellung verwendet werden.
2.4.4 Quantentunnel-Feldeffekttransistor
Ein fundamentales Limit herkömmlicher Feldeffekttransistoren besteht darin, dass sie im ausgeschalteten Zustand Strom durch die oben erläuterten Effekte verlieren. Zudem zeigen sie einen minimalen Unterschwelleneffekt, der angibt, wie viel Spannungszunahme pro Stromflussvervielfachung im Transistor erforderlich ist. Dieser Effekt wird normalerweise in Millivolt pro Dekade des Stroms angegeben. Um zuverlässig zwischen ausgeschaltet und eingeschaltet unterscheiden zu können, ist ein Verhältnis von 1 zu 10.000 des Stroms erforderlich.
Diese Schwäche haben Quantentunnel-Feldeffekttransistoren nicht. Sie ähneln herkömmlichen MOSFETs, aber mit dem Unterschied, dass die Source-Region p-dotiert ist und die Drain-Region n-dotiert ist oder umgekehrt. Dazwischen liegt eine undotierte Region. Wenn diese Region einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, nähern sich die Energiebänder der dotierten Regionen so stark aneinander an, dass eine Bandlücke entsteht. Diese Bandlücke ist so klein, dass Elektronen sie aufgrund des Tunneleffekts passieren können, was zu einem Stromfluss führt. Dank dieser Eigenschaften könnte diese Technologie ein potenzieller Nachfolger herkömmlicher FETs sein.
2.4.5 Optoelektronik
Die Optoelektronik ist ein aufstrebendes Feld, das sich mit der Wechselwirkung von Licht und Elektronik befasst. Silizium hat aufgrund seiner optischen Eigenschaften auch in diesem Bereich großes Potenzial. Insbesondere wird Silizium für die Herstellung von Photodioden und optischen Wellenleitern verwendet.
Photodioden bestehen aus Silizium und erzeugen elektrische Signale, wenn Licht auf sie trifft. Sie werden in vielen Anwendungen wie Kameras, Solarzellen und optischen Sensoren eingesetzt. Die Entwicklung von Photodioden mit hoher Empfindlichkeit und schneller Reaktionszeit ist ein aktives Forschungsgebiet.
Optische Wellenleiter aus Silizium werden häufig in der Datenübertragungstechnik eingesetzt. Sie ermöglichen die Übertragung großer Datenmengen über kurze und lange Strecken mit minimalen Verlusten. Silizium-Photonik integriert optische Komponenten wie Laser, Modulatoren und Detektoren auf Siliziumchips, was die Herstellung von Hochleistungs-Lichtwellenleitern erleichtert.
Die Optoelektronik auf Siliziumbasis bietet eine vielversprechende Möglichkeit, die Leistung und Effizienz von Computern und Kommunikationssystemen weiter zu verbessern. Durch die Integration von optischen Komponenten auf Siliziumchips können schnellere und energieeffizientere Systeme entwickelt werden.
Während in der Vergangenheit eher auf Materialien wie Galliumarsenid, Indiumphosphid oder organische Halbleiter gesetzt wurde, wird nun vermehrt auch auf Silizium gesetzt. Dies liegt daran, dass Silizium einfacher in bereits vorhandene Silizium-basierte Computersysteme integriert werden kann. Zudem kann man sich der gut erforschten Siliziumverarbeitung bedienen, auch wenn der Einsatzzweck in Bereichen liegt, die nicht der Informationsverarbeitung, sondern der Übertragung, etwa in Glasfaserkabeln dienen.
Dennoch gibt es auch im Bereich der Informationsverarbeitung Ansätze, die Siliziumoptoelektronik als Alternative zu herkömmlichen integrierten Schaltungen sehen. So gelang es Wissenschaftlern der University of Colorado in Boulder im Jahr 2013, auf einem Siliziumwafer Strukturen zu schaffen, die nicht nur die Übertragung von Schaltungen ermöglichen, sondern auch das Potenzial haben, in herkömmlichen Mikrochips integriert zu werden. Eine solche Integration könnte in Zukunft eine optische Anbindung des flüchtigen Speichers ermöglichen, was sowohl Geschwindigkeitsverbesserungen als auch eine Senkung des Energieverbrauchs mit sich bringen würde.
Eine weitere vielversprechende Anwendung optoelektronischer Bausteine liegt im Bereich der KI-Beschleuniger. Dabei bieten sie bei gleichbleibender Fläche geringere Latenzzeiten, eine höhere Bandbreite und einen geringeren Stromverbrauch.