Strahlender Halbleiter

Jetzt kann Silizium auch leuchten

Von Manfred Lindinger
30.11.2021
, 13:26
Kristallsäulen aus Germanium und Silicium
Ein Laser aus Silizium gilt als Heiliger Gral der Mikroelektronik. Mit leuchtenden Drähten aus Silizium und Germanium könnte dies bald Wirklichkeit werden.
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Silizium und Germanium sind wegen ihrer halbleitenden Eigenschaften ein unverzichtbares Materialien für die Mikroelektronik. Die Halbleiter lassen sich leicht verarbeiten und besitzen hervorragende physikalische sowie chemische Eigenschaften. Leider ist ihr optisches Verhalten weniger günstig. Als Lichtemitter ist Silizium trotz vieler Bemühungen kaum zu gebrauchen. In kristalliner Form emittiert Silizium so gut wie keine Strahlung (ausgenommen poröses Silizium). Zur Herstellung von Leuchtdioden und Halbleiterlasern greift man deshalb auf andere halbleitende Materialien wie Gallium-Arsenid oder Indium-Phosphid zurück, die sich allerdings nur schwer in Siliziumschaltkreise integrieren lassen. Ein Manko, das die Wissenschaftler seit Jahrzehnten beschäftigt.

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Doch es zeichnet sich ein Silberstreifen am Halbleiterhorizont ab. Einer deutsch-niederländischen Forschergruppe ist es gelungen, eine Legierung aus den beiden Halbleitern Silizium und Germanium effizient zum Leuchten anzuregen. Damit sei eine wichtige Voraussetzung für einen Festkörperlaser auf Basis von Silizium und Germanium geschaffen, berichten Erik Bakkers und seine Kollegin Elham Fadaly in Berlin.

Seit rund fünfzig Jahren bemühen sich Forscher, Leuchtdioden und Laser aus Silizium oder Germanium zu bauen. Bisher ohne großen Erfolg. Der Grund, weshalb Silizium und Germanium anders als etwa Galliumarsenid so gut wie kein Licht emittieren, liegt an der kubischen Struktur ihrer Kristallgitter. Elektronen, etwa angeregt von elektrischen Feldern oder Lichtstrahlen, können nur schwer vom Leitungsband in das energetisch niedrigere Valenzband wechseln und ein Photon aussenden. Die beiden Bänder sind so gegeneinander versetzt, dass der Prozess der Licht­erzeugung erschwert ist.

 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

Leuchtende Drähte mit hexagonaler Kristallstruktur

„Der entscheidende Schritt war es, Germanium und Silizium mit hexagonalem Kristallgitter zu erzeugen“, sagte Bakkers. „Mit dieser Kristallstruktur haben die Halbleiter eine direkte Bandlücke und können daher selbst Licht erzeugen.“ Die angeregten Elektronen können leichter vom Leitungsband in das Valenzband wechseln und Lichtquanten erzeugen.

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Im Jahr 2015 gelang Bakkers und seinen Kollegen an der TU Eindhoven mit einem Trick, hexagonales Silizium und Germanium herzustellen. Dafür züchteten sie zunächst Nanodrähte aus einem Material mit einer hexagonalen Kristallstruktur. Diese Drähte überzogen sie dann mit einer Schicht aus Germanium und Silizium. Dann passierte das Überraschende: Das darunter liegende Material zwang der Germanium-Silizium-Legierung eine hexagonale Struktur auf.

Doch die Halbleiter ließen sich zunächst nicht zum Leuchten anregen. Dazu enthielten sie zu viele Verunreinigungen. Mit der Unterstützung von Materialforschern am Walter Schottky Institut der TU München, die immer wieder die optischen Eigenschaften der Proben analysierten, konnten schließlich dünne Drähte aus hexagonalem Silizium und Germanium in hoher Reinheit gezüchtet werden.

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Als Bakkers und Fadaly die Drähte mit Laserlicht bestrahlten, konnten sie fast ihren Augen nicht trauen. Der Durchbruch war geschafft. Die Silizium-Germanium-Legierung emittierte infrarote Photonen in einem breiten Spektralbereich. Die Wellenlängen könnten für die optische Kommunikation genutzt werden, ist Bakkers überzeugt.

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„Inzwischen haben wir optische Eigenschaften erzielt, die fast mit Indiumphosphid oder Galliumarsenid vergleichbar sind.“ Einen Laser aus Germanium und Silizium zu bauen erscheint damit nur noch eine Frage der Zeit.

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. Die Chips wären dadurch nicht nur deutlich schneller. Es würde bei der elektrooptischen Datenverarbeitung auch weniger Wärme entstehen, ist Bakkers überzeugt.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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