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Halbleiter : Funkelnder Siliziumkristall

  • -Aktualisiert am

Bald auch im Handydisplay? Wachsender Siliziumkristall Bild: Matthias Renner

Silizium ist ein beliebter Halbleiter. Zur Herstellung von Lichtquellen war es bisher wenig geeignet. Jetzt ist es Forschern gelungen, Silizium in verschiedenen Farben leuchten zu lassen - dadurch könnte es künftig auch zum Bau von Displays eingesetzt werden.

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          Silizium ist das wichtigste Material in der Mikroelektronik. Es ist gut zu verarbeiten und mit hervorragenden physikalischen Eigenschaften ausgestattet. Leider ist sein optisches Verhalten weniger günstig als sein elektrisches. Deshalb greift man zur Herstellung von Leuchtdioden und Halbleiterlasern auf Gallium-Arsenid oder Indium-Phosphid zurück. Diese sind allerdings teuer und können nur schwer in herkömmliche elektrische Schaltkreise integriert werden. Daher versucht man, effiziente Lichtquellen auch auf der Basis von Silizium zu entwickeln.

          Physiker vom Forschungszentrum Dresden-Rossendorf sind diesem Ziel nun ein gutes Stück näher gekommen. Die Forscher um Manfred Helm und Wolfgang Skorupa haben einen Siliziumkristall so verändert, dass er im roten auch im blauen Spektralbereich leuchtet. Die erzeugte Wellenlänge lässt sich durch die Stärke des angelegten Stroms regeln.

          Atome besetzen Gitterplätze

          Dass reines Silizium so schwer zum Aussenden von Licht zu bewegen ist, liegt an seiner Bandstruktur, die die elektrischen und optischen Eigenschaften eines Halbleiters bestimmt. Die Bandstruktur ist bei Silizium aber weitaus komplizierter als in den meisten anderen halbleitenden Materialien, so dass der Prozess der Lichterzeugung deshalb nur unter erschwerten Bedingungen abläuft. Die zugeführte Energie wird bevorzugt in Wärme verwandelt.Vor einigen Jahren fand man heraus, dass Silizium in nanokristalliner Form Licht abstrahlt, wenn man es mit Laserlicht anregt.

          Durch die Winzigkeit der Kristalle wird die Bewegungsfreiheit der Elektronen eingeengt, wodurch sich die Bandstruktur verändert und damit die optischen Eigenschaften verbessern. Einen ähnlichen Effekt erzielt man, wenn man in den Halbleiterkristall gezielt Fremdatome einschleust. Die Atome besetzen Gitterplätze im Kristall, wobei sie Siliziumatome verdrängen. Diese gruppieren sich um die Fremdatome, wodurch Bereiche entstehen, die nur wenige Nanometer groß sind. Dort können die mit der Lichterzeugung einhergehenden Prozesse viel leichter ablaufen, als es in einem normalen Siliziumkristall möglich wäre.

          Rot, blau und violett

          Dieses Verfahren haben die Forscher um Helm und Skorupa in den vergangenen Jahren bereits vielfach genutzt. Ihnen war es beispielsweise gelungen, Silizium ultraviolettes, blaues, grünes und infrarotes Licht zu entlocken, indem sie das Material mit Elementen wie Terbium und Gadolinium dotierten. Auch in ihrem jüngsten Experiment wählten die Forscher ein Element aus der Gruppe der „Seltenen Erden“, das Element Europium. Das Besondere an diesem: Es kommt in zwei verschiedenen Oxidationszuständen vor und kann deshalb offenkundig auch die Emission von Licht in zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen bewirken, wie die Forscher in der Zeitschrift „Applied Physics Letters“ (Bd. 90, Nr. 181121) berichten.

          Zur Herstellung des ungewöhnlichen Lichtemitters trugen Helm und seine Kollegen zunächst auf einen Siliziumkristall eine 100 Nanometer dicke isolierende Schicht aus Siliziumdioxid auf. In diese schleusten sie mit einem Ionenstrahl einzelne Europiumatome. Als man durch den Siliziumkristall einen elektrischen Strom schickte, leuchtete das Bauelement auf. Bei geringer Stromstärke – bis zu 90 Mikroampère – sendete es rotes Licht aus. Wurde die Stromstärke bis auf 1,8 Milliampere erhöht, leuchtete das Silizium im blauen Farbbereich. Bei einem Wert von exakt 100 Mikroampère erstrahlte der dotierte Kristall violett, also in der Mischfarbe beider Wellenlängen.

          Neue Perspektiven für die Industrie

          Dass dieses ungewöhnliche Verhalten tatsächlich auf die verschiedenen Wertigkeitsstufen von Europium zurückgeht, zeigte die Auswertung der Emissionsspektren: So ist für die rote Lumineszenz das dreiwertige Europium verantwortlich, während die Lichtemission im blauen Farbbereich durch zweiwertiges Europium hervorgerufen wird. Je nach Stärke des angelegten Stroms wird die eine oder die andere Sorte dieser Störstellen zum Leuchten angeregt. Der genaue Mechanismus der „dreiwertigen“ und „zweiwertigen“ Lichterzeugung ist noch unklar.

          Nach Ansicht der Forscher könnte die neuartige zweifarbige Lichtquelle die Entwicklung kleiner, robuster und preiswerter Biosensoren ermöglichen oder in Kombination mit grün emittierendem Silizium zur Konstruktion eines Farbdisplays auf Siliziumbasis verwendet werden. Für die Halbleiterindustrie eröffnen die Forschungen in Rossendorf neue Perspektiven. Jetzt scheint es möglich zu sein, sogenannte optoelektronische Schaltkreise auf der Grundlage von Silizium herzustellen.

          In solchen Schaltungen, wie man sie etwa für die optische Kommunikation verwendet, werden Lichtstrahlen in elektrische Ströme umgewandelt und umgekehrt. Dadurch lassen sich Signale schneller übermitteln und verarbeiten als mit rein elektrischen Schaltkreisen.

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