Leuchtdiode aus Silizium arbeitet bei Zimmertemperatur

Britische Wissenschaftler haben erstmals eine bei Zimmertemperatur funktionierende Leuchtdiode aus Silizium gebaut. Die Silizium-LED eignet sich zur direkten Integration optischer Netzwerktechnologie in Silizium-Chips. Kevin Homewood und seine Kollegen von der University of Surrey berichten über ihren Erfolg in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature (Wai Lek Ng, M. A. Lourenco, R. M. Gwilliam, S. Ledain†, G. Shao, & K. P. Homewood, An efficient room-temperature silicon-based light-emitting diode, Nature Vol. 410, 8. 3. 2001, S. 192).

Optische Netzwerke ermöglichen eine sehr viel schnellere Datenübertragung als elektronische Netze – allerdings müssen die elektrischen Signale mit Hilfe optoelektronsicher Baueelmente in Lichtsignale gewandelt werden. Silizium, der Grundstoff für die gängige CMOS-Technologie, ist ein so genannter indirekter Halbleiter und daher nicht zur effizienten Umwandlung von elektrischen Signalen in Licht geeignet. Daher verwendet man in der Optoelektronik verschiedene Halbleiter wie Galliumarsenid oder Germanium. Die direkte Integration dieser Halbleiter in Silizium-Bauelemente ist allerdings außerordentlich schwierig, da die Halbleiter verschieden große Gitter bilden.

Die britischen Wissenschaftler beschossen Silizium mit energiereichen Bor-Ionen. Diese besetzen Gitterplätze im Silizium-Kristall; die verdrängten Silizium-Atome "klumpen" in kleinen Blasen zusammen, verbiegen das Kristallgitter und auch die Bandstruktur des Siliziums. Die Silizium-Leuchtdiode hat zwar zunächst nur einen Wirkungsgrad von 0,1 Prozent (Galliumarsenid-LEDs liegen bei einem Prozent), aber die Forscher glauben, durch ein bessseres Design die Effizienz der LED noch um den Faktor fünf bis zehn steigern zu können.

Seit 1990 ist bekannt, dass sich die Lichtemission des Siliziums verbessert, wenn aus dem Material kleinste Stücke mit nur wenigen Nanometern Durchmesser geformt werden, da in dieser Größenordnung quantenmechanische Effekte wirken. Im Herbst letzten Jahres nutzten italienische Forscher diesen Effekt: Sie stellten Nanopartikel aus reinem Silizium her, indem sie Siliziumdioxid mit energiereichen Ionen beschossen. Die Partikel mit nur drei Nanometer Durchmesser sind in dem Siliziumdioxid eingebettet. Eine Bestrahlung mit ultraviolettem Laserlicht ließ die Partikel rot glühen. Ein zweiter Laserstrahl mit der gleichen Wellenlänge wie das emittierte Licht gewann beim Durchtritt durch die Probe an Helligkeit. Die italienischen Forscher sind optimistisch, dass sich aus diesem Material eine Silizium-Laserdiode herstellen lässt. (wst)