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News: Erster Lichtblitz eines Siliziumlasers?

Schon seit Jahren schwärmen uns Visionäre von den phantastischen Möglichkeiten der Optoelektronik vor. Computer, deren Herz mit Licht anstelle von Elektronen schlägt, sollen Rechenoperationen in schwindelerregender Geschwindigkeit vollführen und dabei alle heutigen Rechner weit übertrumpfen. Der Knackpunkt war bislang, dass sich zwei bereits etablierte Techniken nur schwer miteinander vereinen lassen. Ein italienisches Forscherteam hat nun einen wichtigen, vielleicht sogar den entscheidenden Schritt für die neue Technologie geschafft: Sie haben einen intensiven, laserartigen Lichtstrahl aus einer Schicht von Silizium-Nanokristallen gezaubert.
Den Halbleiterlaser gibt es schon relativ lange. Forscher entwickelten ihn bereits 1962. Man konnte ihn aber zunächst nur gepulst, also nur für sehr kurze Zeitabschnitte, betreiben. Außerdem waren dazu tiefe Temperaturen weit unterhalb von null Grad Celsius nötig, und schließlich war das emittierte Licht auf den infraroten Bereich beschränkt. Die Entwicklung ist aber dank großer Fortschritte in der Halbleiterphysik und neuer Herstellungstechniken rasch voran gegangen, so dass relativ bald erste Laser auf der Basis von Galliumarsenid-Lagenstrukturen zur Verfügung standen, bei denen auch der Dauerbetrieb im sichtbaren Bereich möglich ist. Wegen der relativ geringen Anschaffungs- und Betriebskosten und nicht zuletzt der kleinen Baugröße, findet der Halbleiterlaser heute in zahllosen technischen Geräten Anwendung. CD-Player, Laserdrucker, Scannerkassen im Supermarkt sind nur einige Beispiele. Bislang fiel es allerdings schwer, den Halbleiterlaser mit der auf Silizium basierenden Technik integrierter Schaltkreise zu kombinieren. Das Problem ist, dass Galliumarsenid so gar nicht auf Silizium halten möchte. Warum also keinen Laser mit Silizium bauen?

Silizium ist zwar auch ein Halbleiter, besitzt aber im Gegensatz zu Galliumarsenid nur eine so genannte "indirekte Bandlücke", und das ist für einen Laser denkbar ungünstig. Zur Lichtemission muss nämlich grundsätzlich ein Elektron von einem hohen auf ein niedrigeres Energieniveau springen. Die Lücke zwischen den Niveaus überwindet ein Elektron spielend, wenn sich nur seine Energie ändern muss. Dann hüpft es einfach eine Etage tiefer und strahlt ein Lichtquant entsprechend des Energieunterschiedes ab.

Bei einem indirekten Halbleiter reicht es nicht, dass ein Elektron einfach die überschüssige Energie als Photon abstrahlt, zusätzlich muss es auch ein anderes quantenmechanisches Teilchen, das so genannte Phonon absorbieren oder emittieren. Wie im Leben, so auch in der Physik – es ist deutlich schwerer, drei Teilchen, also Elektron, Phonon und Photon, zur gleichen Zeit unter einen Hut zu bekommen als nur zwei. Die Wahrscheinlichkeit, dass bei einem indirekten Halbleiter ein Elektron unter Lichtemission seine Energie ändert, ist deshalb vergleichsweise gering. Gerade beim Laser kommt es aber sehr darauf an, viele Photonen zu produzieren – eine hohe Wahrscheinlichkeit ist also Pflicht. Die Forscher mussten sich darum einen anderen Weg einfallen lassen, aus Silizium möglichst viele Photonen zu kitzeln.

Wissenschaftler haben bereits früher herausgefunden, dass Silizium, in viele kleine Teile zerstückelt, wesentlich besser Licht emittiert als Material am Stück. In Form kleiner Drähte, Scheiben und Klümpchen mit den Ausmaßen weniger Nanometer glüht es bei elektrischer Anregung. Quantenmechanische Effekte kompensieren bei diesen Abmessungen Faktoren, die normalerweise die Emission von Photonen unterdrücken würden.

Lorenzo Pavesi von der University of Trento und seine Kollegen haben sich in ihrer Arbeit diese Quanteneffekte zunutze gemacht und eine laserartige Lichtemission mit Silizium bewerkstelligt (Nature vom 23. November 2000). Die Wissenschaftler beschossen Siliziumdioxid mit hochenergetischen Ionen und stellten so drei Nanometer große Partikel aus reinem Silizium her. Siliziumdioxid lag bei den Versuchen in seiner natürlichen Form als Quarz vor. Die Physiker haben aber auch gezeigt, dass sich aus einer Oxidschicht auf Silizium Nanopartikel auf ähnliche Weise herstellen lassen – ein enormer Vorteil für die Chip-Produktion.

Die Forscher haben nun ihre Siliziumpartikel mit herkömmlichem ultravioletten Laserlicht bestrahlt und dabei herausgefunden, das diese intensives rotes und infrarotes Licht emittieren. In einem zweiten Versuch haben die Forscher Laserlicht der gleichen Wellenlänge wie das von den Partikeln ausgesendete Licht eingestrahlt und festgestellt, dass die Helligkeit des Lichtstrahls deutlich zunahm. Genau dieses Verhalten erwarten die Wissenschaftler bei einer stimulierten Lichtemission – eine wichtige Voraussetzung für einen Laser.

Es handelt sich bei den winzigen Siliziumkristallen damit noch nicht um einen wirklichen Laser, unter anderem schon deshalb nicht, weil das ausgesandte Licht nicht kohärent ist. Außerdem wäre für eine technische Anwendung die Anregung der Emission per Laserlicht einer weiteren Quelle wenig praktikabel. Hier wünschen sich die Ingenieure eine Stimulation durch elektrischen Strom, wie es bereits bei anderen Laserdioden funktioniert. Die Ergebnisse der Forscher sind nichtsdestotrotz sehr vielversprechend. Leigh Canham, ein britischer Physiker, der Licht emittierendes Silizium zuerst beobachtet hat, nennt die Entdeckung der Kollegen einen "Meilenstein" auf dem Weg zur Silizium basierenden Optoelektronik.

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