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News: Leuchtendes Silizium

Licht aus Silizium soll ganz neue optoelektronische Bauelemente ermöglichen, die vielleicht einmal in besonders flinken Rechnern arbeiten werden. Lange Zeit verwehrte die elektronische Struktur des Halbleiters den Wissenschaftlern einen richtigen Durchbruch. In letzter Zeit gab es dann aber erfolgreiche Ansätze, indem man winzige Kristalle leuchten ließ. Nun scheint eine neue Methode, Leuchtdioden herzustellen, nicht nur sehr viel versprechend zu sein, sondern auch technisch leicht zu verwirklichen: Hier bewirkt der Beschuss mit Ionen die gewünschte Eigenschaft.
Silizium mag nicht leuchten. Der Halbleiter eignet sich zwar vorzüglich für miniaturisierte Schaltkreise, als Lichtemitter ist er aber bislang aufgrund seiner besonderen elektronischen Struktur kaum zu gebrauchen. Andererseits könnte Silizium als Lichtquelle leicht in bestehende Mikroelektronik integriert werden. Bei anderen Materialien wie zum Beispiel Galliumarsenid fällt das schwer, da die Gitterstrukturen der verschiedenen Komponenten nicht zueinander passen. Darum haben Wissenschaftler das Silizium noch nicht aufgegeben und geforscht, ob nicht doch ein wenig Licht aus ihm herauszukitzeln wäre.

Schon seit 1990 ist bekannt, dass kleine Siliziumbröckchen im Nanometermaßstab durchaus eine erkleckliche Menge Licht emittieren, da in dieser Größenordnung die Quantenmechanik regiert und die elektronische Struktur des Halbleiters in gewünschter Weise zurechtbiegt. Nun haben Kevin Homewood und seine Kollegen von der University of Surrey eine Leuchtdiode entwickelt, die ähnliche Quanteneffekte nutzt. Der Vorteil ihres Bauelements liegt jedoch in der vergleichsweise einfachen Herstellung, die sich leicht auf bestehende Industrieprozesse umsetzen lässt.

Homewoods Team beschoss Siliziumkristalle mit Bor-Ionen. Dadurch entstand nicht nur der für eine Leuchtdiode unabdingbare Potentialübergang – auch p-n-Übergang genannt –, das Bor-Ion verzerrte außerdem auch das umliegende Kristallgitter und bildete so kleine "Blasen" mit Durchmessern von achtzig bis hundert Nanometern. Innerhalb dieser existiert ein lokales elektrisches Feld, das Ladungsträger wie Elektronen und positiv geladene Löcher einfängt. Sie rekombinieren und senden dabei Photonen aus. Das abgestrahlter Licht liegt dabei im infraroten Spektrum, nahe bei den Wellenlängen, wie sie die Lichtleitertechnik bereits nutzt. Die Forscher entwickeln aber auch schon eine Leuchtdiode, deren Wellenlänge einstellbar ist.

Neben der einfachen Herstellung in einem Arbeitsschritt ist außerdem von Vorteil, dass das Bauelement bei Zimmertemperatur funktioniert, was besonders für kommerzielle Anwendungen äußerst wichtig ist. Stattet man das Bauelement außerdem noch mit einem so genannten optischen Resonator aus, so ließe sich auch ein Siliziumlaser verwirklichen. Diese besondere Lichtquelle war bei vielen Versuchen, Licht mit Silizium zu erzeugen, das Ziel – allzu häufig war jedoch die Leistung der Bauelemente mangelhaft, oder sie waren nur gekühlt zu betreiben. "Die Leuchtdiode selbst ist schon sehr nützlich", meint Homewood, "aber wir sind auch sicher, dass dies der Weg zum Siliziumlaser ist – und daran arbeiten wir zur Zeit."

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  • Quellen
PhysicsWeb
Nature 410: 192–194 (2001)

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