Neuartiger Mikroresonator erhöht die Lichtausbeute von Silizium-Leuchtdioden signifikant

Silizium ist das Schlüsselmaterial der Mikroelektronik. Im Forschungszentrum Rossendorf (FZR) wurde ein neuartiges Mikroresonator-Konzept – eine besondere Spiegel-Anordnung von nur einem Millionstel Meter Dicke – vorgestellt, mit dem sich die Lichtausbeute von Silizium-Leuchtdioden signifikant erhöhen lässt. Damit kann die Kommunikation zwischen Silizium-Chips mit Licht realisiert werden.

Ausschnitt eines Silizium-Wafers mit Dioden

Wegen der weit fortgeschrittenen Siliziumtechnologie wäre es ein großer Durchbruch, wenn auch Lichtquellen für die optische Datenübertragung auf der Basis von Silizium realisiert werden könnten. Damit könnten Silizium-Chips nicht nur rechnen, sondern auch gleich ihre Ergebnisse mit Lichtgeschwindigkeit an eine andere Stelle übermitteln. Silizium-Lichtquellen wären kostengünstiger in der Herstellung als andere teure Materialien (insbesondere die heute genutzten Verbindungshalbleiter wie Galliumarsenid oder Indiumphosphid) und könnten auf einem Siliziumchip mit elektronischen Komponenten angesteuert werden. Langfristig ist das Ziel, eine optische Verbindungstechnik auf der Basis von Silizium zu realisieren, woran zum Beispiel der Chiphersteller Intel intensivst in seinen Forschungslaboren arbeitet. Entsprechend Goethes letzten Worten „Mehr Licht…“ rufen die Forscher daher verstärkt nach „Mehr Licht aus Silizium“.

Das Forschungszentrum Rossendorf (FZR) beschäftigt sich seit mehreren Jahren erfolgreich mit der Herstellung von Silizium-basierten Lichtquellen (Lichtemittern). So konnte vor kurzem die erste ultraviolette Lichtquelle (UV-Emitter) in Siliziumtechnologie hergestellt werden, die großes Interesse im Bereich der Biosensorik erfährt (FZR-Pressemitteilung vom 29.06.2004). Für die Datenübertragung sind jedoch größere Wellenlängen im sogenannten 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 ist jedoch von Natur aus völlig ungeeignet, um Licht bei diesen Wellenlängen effizient auszusenden. Eine Tatsache, die in den letzten Jahren weltweit zu großen Forschungsaktivitäten führte, um dieses fundamentale Problem zu überwinden.

Dem FZR-Forscherteam um Dr. Thomas Dekorsy gelang es nun, die Lichtemission von Silizium-Leuchtdioden bei der Wellenlänge von 1100 Nanometern signifikant zu erhöhen. Die Bauelemente basieren auf Silizium-Dioden, in die hochenergetische Atome (Ionen) hineingeschossen werden (sogenannte Ionenimplantation). Diese Atome modifizieren das Silizium in der Art und Weise, dass die Lichtemission um einen Faktor 1000 ansteigt(1). 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% ist gewissermaßen gefangen. Dieser Nachteil konnte durch einen neuartigen Silizium-Mikroresonator überwunden werden, einer Art Minispiegelanordnung von nur einem Millionstel Meter Dicke. Ein solcher Mikroresonator erhöht die Lichtausbeute bei einer gewünschten Wellenlänge und macht sie wesentlich gerichteter. 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. Die Fertigung dieses vergrabenenen Spiegels trug das Forschungszentrum Jülich bei. 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 des Licht-aussendenden Schicht verhindert. Diese Schwierigkeit haben wir mit unserem Konzept elegant umgangen und gleichzeitig die Kompatibilität zur Silizium-Prozesstechnologie gewahrt.“

Mit dem nun vom FZR realisierten Mikroresonator-Konzept konnte die Effizienz der Silizium-Leuchtdioden weiter gesteigert werden, wobei die theoretischen Grenzen des Konzepts mit der gegenwärtigen Fertigungstechnologie bei weitem noch nicht erreicht sind. Das Mikroresonator-Konzept wurde vom FZR als Patent eingereicht(2) und erstmals in der renommierten Zeitschrift Electronics Letters einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt(3).

(1) Origin of anomalous temperature dependence and high efficiency of silicon light-emitting diodes, J. Sun u.a., Applied Physics Letters Bd. 83, S. 3385-3887 (2003)
(2) Silizium basiertes optoelektronisches Bauelement, T. Dekorsy u.a., eingereicht zum Deutschen Patentamt (10348269.5)
(3) Silicon based electrically driven microcavity LED, J. Potfajova u.a., Electronics Letters Bd. 40, S. 904-906 (2004)
http://ioj.iee.org.uk/journals/el/2004/14/

Ansprechpartner:

Dr. Thomas Dekorsy
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Tel.: 0351 260-2880; Email: t.dekorsy@fz-rossendorf.de

Prof. Manfred Helm
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Tel.: 0351 260-2260; Email: m.helm@fz-rossendorf.de