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Strahlender Halbleiter : Silizium, das leuchten kann

Nanodrähte aus einer Germanium-Silizium-Legierung mit sechseckigem Querschnitt und hexaginalem Kristallgitter können Licht erzeugen. Für Photonik-Chips könnten die 400 Nanometer dicken Gebilde direkt in Silizium-Schaltkreise integriert werden. Bild: E. Fadaly, TU/e

Ein Halbleiterlaser, der aus Silizium besteht und sich in Computerchips integrieren lässt, gilt als Heiliger Gral der Mikroelektronik. Mit leuchtenden Drähten aus Silizium und Germanium könnte diese visionäre Lichtquelle schon bald Wirklichkeit werden.

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          Silizium und Germanium sind wegen ihrer halbleitenden Eigenschaften unverzichtbare Materialien für die Mikroelektronik. Ihre optischen Eigenschaften sind indes weniger günstig: Silizium und Germanium emittieren in kristalliner Form so gut wie keine Strahlung (ausgenommen poröses Silizium). Deshalb gibt es bislang keine Leuchtdioden oder Festkörperlaser auf der Basis dieser beiden Materialien. Ein Manko, dass die Wissenschaftler seit Jahrzehnten beschäftigt.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Doch es zeichnet sich ein Silberstreifen am „Halbleiterhorizont“ ab. Einer deutsch-niederländischen Forschergruppe ist es jetzt gelungen, eine Legierung aus den beiden Halbleitern effizient zum Leuchten anzuregen. Damit sei eine wichtige Voraussetzung für einen Festkörperlaser auf Basis von Silizium und Germanium geschaffen, schreiben Erik Bakkers von der Technischen Universität Eindhoven und seine Kollegen in der Zeitschrift „Nature“.

          Leuchtende Drähte mit kubischer Kristallstruktur

          Ein solcher Laser könne in gängige Computerchips direkt integriert werden und so die Datenverarbeitung beschleunigen. Denn Siliziumchips könnten dann elektrische und optische Signale gleichzeitig verarbeiten. Bislang nutzt man in der Optoelektronik Halbleiterlaser aus den Verbundhalbleitern Galliumarsenid oder Indiumphospid. Diese lassen sich aber nur schwer auf den Silizium-Schaltkreisen unterbringen.

           In diesem Ofen werden die Nanodrähte aus Germanium und Silizium gezüchtet.
          In diesem Ofen werden die Nanodrähte aus Germanium und Silizium gezüchtet. : Bild: Nando Harmsen, TU/e

          Dass Silizium und Germanium anders als Galliumarsenid so gut wie kein Licht emittieren, liegt an der kubischen Struktur ihrer Kristallgitter. Elektronen können nur schwer vom Leitungsband in das energetisch niedrigere Valenzband wechseln. Die Emission von Photonen ist dadurch erschwert. Die Forscher um Bakkers haben nun dünne Drähte aus Silizium und Germanium in hoher Reinheit gezüchtet. Darin bilden die Atome ein hexagonales Kristallgitter.

          Das ermöglicht angeregten Elektronen, leichter in das Valenzband zu wechseln und Lichtquanten zu erzeugen. Werden die Drähte mit Laserlicht bestrahlt, emittieren sie infrarote Photonen in einem breiten Spektralbereich. Die Wellenlängen könnten für die optische Kommunikation genutzt werden.  Die optischen Eigenschaften der Silizium-Germanium-Legierung seien vergleichbar mit denen von Galliumarsenid, so die Forscher um Bakkers.

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