Mehr Licht aus Silizium
Wissenschaftler des Forschungszentrums Rossendorf haben ein Mikroresonator-Konzept vorgestellt, mit dem sich die Lichtausbeute von Silizium-Leuchtdioden signifikant erhöhen lässt.
Wissenschaftler des Forschungszentrums Rossendorf (FZR) haben ein Mikroresonator-Konzept vorgestellt, mit dem sich die Lichtausbeute von Silizium-Leuchtdioden signifikant erhöhen lässt.
Silizium, der Grundstoff für die gängige CMOS-Technologie, ist ein so genannter indirekter Halbleiter und daher eigentlich 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 solcher Halbleiter in Silizium-Bauelemente ist allerdings außerordentlich schwierig, da diese Halbleiter und Silizium verschieden große Gitter bilden. Erst vor drei Jahren gelang es britischen Forschern zum ersten Mal, eine Silizium-Leuchtdiode für den Betrieb bei Zimmertemperatur herzustellen, deren Wirkungsgrad allerdings weit unter dem von gewöhnlichen Leuchtdioden lag.
Dem FZR-Forscherteam um Dr. Thomas Dekorsy gelang es, die Lichtemission von Silizium-Leuchtdioden bei der Wellenlänge von 1100 Nanometern auf einen Wirkungsgrad von 0,12 Prozent zu erhöhen -- bis zu 1000 mal größer als die typische Elektrolumineszenz von reinen Silizium-pn-Dioden und ein Rekordwert für Silizium-Lichtemitter. Die Bauelemente basieren auf Silizium-Dioden, in die hochenergetische Atome (Ionen) hineingeschossen werden (so genannte Ionenimplantation). Es bleibt jedoch ein grundlegendes Problem bestehen: Das im Halbleiter erzeugte Licht tritt nur zu wenigen Prozent aus der Leuchtdiode aus, ein großer Rest von über 95 Prozent ist gewissermaßen gefangen. Dieser Nachteil konnte durch einen neuartigen Silizium-Mikroresonator überwunden werden, einer Art Minispiegelanordnung von nur einem Millionstel Meter Dicke.
Zu diesem Zweck wird die Leuchtdiode auf einer im Silizium vergrabenen, metallischen Schicht (Kobaltdisilizid) gefertigt. Diese Schicht dient als unterer Spiegel des Mikroresonators und gleichzeitig als elektrischer Kontakt an die Leuchtdiode. Den oberen Spiegel des Mikroresonators bildet ein Stapel aus mehreren Siliziumdioxid- und Silizium-Schichten.
Zwar liegt die Ausbeute noch etwa um den den Faktor 30 unterhalb von Dioden aus Verbindungshalbleitern wie GaAs, prizipiell habe das Konzept aber "noch eine Menge Spielraum nach oben", erklärte Thomas Dekorsy gegenüber heise online: "Wir arbeiten nun an Strukturen, die die spektrale Breite nochmals um einen Faktor 10 reduzieren und gleichzeitig einen Faktor 10 in der Effizienz bringen sollen. Das ist alles Fleißarbeit, aber der proof of principle ist erbracht." (wst)
