Schaltbare Zweifarben-Lichtquelle auf Siliziumchip

Silizium ist das wichtigste Ausgangsmaterial für günstige Chips und Prozessoren. Es hat allerdings einen großen Nachteil: als so genannter indirekter Halbleiter leuchtet es kaum. In den Labors der Mikroelektronik-Industrie wird deshalb weltweit daran gearbeitet, effizientere Lichtquellen auf Silizium-Basis zu entwickeln. Physikern im Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) ist es nun erstmals gelungen, Silizium im Wechsel sowohl Blau als auch Rot leuchten zu lassen. Diese zweifarbige Lichtquelle könnte z. B. die Entwicklung kompakter und preiswerter Biosensoren ermöglichen. Vor kurzem wurde das Patent auf das neue Forschungsergebnis angemeldet.

Silizium zum Leuchten, genauer: zur Elektrolumineszenz, zu bringen, ist keine einfache Aufgabe, denn in seiner natürlichen Form gibt es freiwillig nur wenige Lichtquanten frei. Das Forschungszentrum Dresden-Rossendorf beschäftigt sich seit mehreren Jahren erfolgreich mit der Herstellung von Silizium-basierten Lichtquellen (Lichtemittern). Zuerst war es den Physikern gelungen einen blau-violetten Lichtemitter herzustellen, der dann die Basis für einen Si-basierten Optokoppler wurde. Im Jahr 2004 fand die Weltpremiere für ultraviolettes Licht statt, dem dann auch die Farbe Grün folgte. Nun können die Physiker die Farbe des ausgesandten Lichtes der Siliziumprobe gezielt zwischen zwei Farben – Blau und Rot – wechseln lassen. Sie schalten, je nach Höhe des an die Siliziumprobe angelegten Stroms, zwischen Blau und Rot um. Die gute Integrierbarkeit dieser Lichtemitter mit der etablierten Siliziumtechnologie ist dabei von entscheidender Bedeutung, denn der zweifarbige Nano-Wechselschalter könnte preiswert und einfach in herkömmliche Silizium-Chips eingebaut werden.

Für die Herstellung der Testelemente bringt die Gruppe um Dr. Wolfgang Skorupa auf eine Siliziumoberfläche eine nur hundert Nanometer (ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter) dicke Isolator-Schicht aus Siliziumdioxid auf. In diese wird mit Hilfe von schnellen geladenen Atomen (Ionenstrahl) das chemische Element Europium, das zur Gruppe der „Seltenen Erden“ gehört, eingetragen. Die Besonderheit von Europium besteht darin, dass sich zwei verschiedene Arten von Störstellen infolge unterschiedlicher chemischer Wertigkeiten des Europiums im Oxid ausbilden können. Diese sind auch die Ursache für die Lumineszenz im blauen und roten Farbbereich. Je nach Stärke des angelegten Stromes wird die eine oder die andere Störstelle zum Leuchten angeregt.

Zur Anwendung kann die farbige Wechselschaltung etwa im Bereich von Biosensoren kommen. So könnte die neue Silizium-Lichtquelle dabei helfen, Umweltproben vor Ort in der Natur preiswert, sicher und schnell auf verschiedene Verunreinigungen hin zu untersuchen.

Die Ergebnisse wurden vor kurzem im Fachjournal "Applied Physics Letters" veröffentlicht: S. Prucnal, W. Skorupa, J. M. Sun, M. Helm, "Switchable two-color electroluminescence based on a Si metal-oxide-semiconductor structure doped with Eu", in: Applied Physics Letters 90, 181121 (2007).

Photographische Aufnahme der Mehrfarben-Lichtquelle (200 Mikrometer Durchmesser) unter dem Mikroskop: (a) bei einem Strom von 0.02 mA, (b) bei 1 mA und (c) bei 2.5 mA. In (c) ergibt sich die violette Farbe durch Mischung von rot und blau.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Manfred Helm / Dr. Wolfgang Skorupa
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
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