Stärker leuchtende Silizium-LEDs für optische Computer

Forschungszentrum Rossendorf (FZR) trickst mit Silizium-Mikrospiegeln. Im Forschungszentrum Rossendorf (FZR) wurde ein neuartiges Mikroresonator-Konzept entwickelt, mit dem sich die Lichtausbeute von Silizium-Leuchtdioden signifikant erhöhen lassen soll. Dabei handelt es sich um eine besondere, einen Millionstel Meter dicke Spiegel-Anordnung, mit deren Hilfe eine Kommunikation per Licht zwischen Silizium-Chips realisiert werden soll.

12. Juli 2004 um 12:35 Uhr / Christian Klaß

Wenn Chips nicht nur auf Basis von Silizium rechnen können, sondern das Silizium selbst auch als Lichtquelle für die optische Datenübertragung dienen kann, macht dies eine Übertragung der Ergebnisse mit Lichtgeschwindigkeit an eine andere Stelle möglich. Silizium-Lichtquellen wären laut FZR kostengünstiger in der Herstellung als Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid oder Indiumphosphid und könnten zudem auf einem Siliziumchip mit elektronischen Komponenten angesteuert werden. Langfristig sei es das Ziel, eine optische Verbindungstechnik auf der Basis von Silizium zu realisieren, woran zum Beispiel auch Intel und IBM ( Germanium-on-Insulator-Technik ) in ihren Forschungslaboren arbeiten.

Zwar habe das FZR bereits Erfolge mit der Herstellung von siliziumbasierten Lichtquellen (Lichtemittern) aufweisen können, wie etwa Ende Juni 2004 die Fertigung einer ersten ultravioletten Lichtquelle (UV-Emitter), für die Datenübertragung seien jedoch größere Wellenlängen im so genannten nah-infraroten Bereich des Lichtspektrums gefragt. Nah-Infrarot ist der Bereich am roten Ende des sichtbaren Spektrums, in dem die Empfindlichkeit des Auges gerade aufhört, in Wellenlänge ausgedrückt handelt es sich um den Bereich von 750 bis 2500 Nanometer. Silizium sei jedoch von Natur aus völlig ungeeignet, um Licht bei diesen Wellenlängen effizient auszusenden. Um dieses fundamentale Problem zu lösen, soll deshalb in den letzten Jahren weltweit eifrig geforscht worden sein.

Dem FZR-Forscherteam um Dr. Thomas Dekorsy soll es nun gelungen sein, die Lichtemission von Silizium-Leuchtdioden bei der Wellenlänge von 1.100 Nanometern deutlich zu erhöhen. Die Bauelemente basieren auf Silizium-Dioden, in die hochenergetische Atome (Ionen) hineingeschossen werden, was als Ionenimplantation bezeichnet wird. Diese Atome modifizieren das Silizium in der Art und Weise, dass die Lichtemission um einen Faktor 1000 ansteigt. Es bleibe jedoch ein grundlegendes Problem bestehen: Das im Halbleiter erzeugte Licht trete nur zu wenigen Prozent aus der Leuchtdiode aus, ein großer Rest von über 95 Prozent bleibe gewissermaßen "gefangen". Diesen Nachteil habe man nun durch den eingangs erwähnten neuartigen Silizium-Mikroresonator, einer Art Minispiegelanordnung von nur einem Millionstel Meter Dicke. Dadurch soll die Lichtausbeute bei einer gewünschten Wellenlänge erhöht und wesentlich gerichteter werden.

Zu diesem Zweck wird die Leuchtdiode auf einer im Silizium vergrabenen, metallischen Schicht aus Kobaltdisilizid gefertigt. Diese Schicht dient als unterer Spiegel des Mikroresonators und gleichzeitig als elektrischer Kontakt an die Leuchtdiode. Die Fertigung dieses vergrabenen Spiegels übernahm das Forschungszentrum Jülich. Den oberen Spiegel des Mikroresonators bildet ein Stapel aus mehreren Siliziumdioxid- und Silizium-Schichten, die mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern im Reinraum des FZR auf die Leuchtdiode aufgebracht werden.

"Mikroresonator-Konzepte sind seit Anfang der 90er-Jahre bekannt" , erläutert Thomas Dekorsy, Leiter der Abteilung Halbleiterspektroskopie im FZR. "Die Schwierigkeit bestand jedoch immer darin, dass die Resonatorspiegel aus einem Schichtstapel elektrischer Isolatoren bestehen, was die elektrische Kontaktierung der lichtaussendenden Schicht verhindert." Diese Schwierigkeit wollen die Forscher mit ihrem Konzept "elegant umgangen" und gleichzeitig die Kompatibilität zur Silizium-Prozesstechnologie gewahrt haben.

Mit dem nun vom FZR realisierten Mikroresonator-Konzept konnte demnach die Effizienz der Silizium-Leuchtdioden weiter gesteigert werden, wobei die theoretischen Grenzen des Konzepts mit der gegenwärtigen Fertigungstechnologie bei weitem noch nicht erreicht seien, versprechen die Forscher. Das Mikroresonator-Konzept wurde vom FZR als Patent ("Silizium basiertes optoelektronisches Bauelement", deutsche Patent-Nummer 10348269.5) eingereicht und erstmals in der Zeitschrift Electronics Letters (Band 40, Seiten 904 bis 906) vorgestellt.