Was hat Silizium mit dem "Blauen Wunder" zu tun?
Silizium ist einer der wichtigsten Grundstoffe der Halbleitertechnik; man benötigt es beispielsweise zur Herstellung von Computermikrochips, Transistoren oder auch Solarzellen. Da es sich bei Silizium um einen indirekten Halbleiter handelt, verfügt es über eine besondere elektronische Struktur und es ist somit nicht möglich, elektrische Impulse effektiv in Licht umzuwandeln. Die Mikroelektronik bediente sich deshalb bisher teurer und aufwendiger Verfahren, um Leuchtdioden zu entwickeln (z.B. kamen hier Verbindungshalbleiter wie Gallium-Arsenid zum Einsatz). Zwar sind diese Technologien weit fortgeschritten, doch eins war bisher unmöglich: Die Integration einer Lichtquelle direkt in einem Silizium-Chip.
Zu welchen Erkenntnissen kam es in der Mikroelektronik während der 90er Jahre?
Mit der Entdeckung des Briten Canham änderte sich im Jahre 1990 die alte Sichtweise, dass Silizium nicht leuchten könne. Er fand heraus, dass Nanostrukturen aus porösem Silizium unter UV-Licht-Einwirkung rotes Licht aussenden.
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"blaues Leuchten"
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Während es in Folge dessen weltweit (z.B. in Catania auf Sizilien) zu großen Aktivitäten bei der Realisierung des roten Lichts kam, entdeckten die Physiker Lars Rebohle, Thoralf Gebel und Wolfgang Skorupa der Abteilung "Neue Materialien" (Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung) im Jahre 1996, dass Silizium auch blau leuchten kann. Der große Durchbruch gelang ihnen mit Hilfe der so genannten Ionenstrahlsynthese, die es ermöglichte, in Siliziumdioxid-Schichten (also Glas) Silizium- oder Germanium-Nanocluster herzustellen. Regt man diese erzeugten Schichten optisch oder elektrisch an, zeigen sie ein intensives blaues (bei Silizium-Clustern) oder auch violettes (bei Germanium) Leuchten.
Was hat es mit dem "Optokoppler" auf sich?
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"Wafer"
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Bisher ist die elektrische Datenübertragung noch weit verbreitet, doch der technische Fortschritt lässt die optische Datenübermittlung mehr und mehr ins Rampenlicht rücken. Immerhin birgt sie einige Vorteile: Die Systeme können kleiner, schneller und vor allem auch weniger störanfällig gemacht werden. Um die optische Datenübertragung zu ermöglichen, muss das Material, aus dem die Chips der Mikroelektronik bestehen, Licht aussenden und auch empfangen können. Die Physiker haben ein Bauteil entwickelt, das eben diese Fähigkeiten besitzt. "Optokoppler" heißt der Baustein auf Siliziumbasis, der in herkömmlichen Prozessschritten für die Chipherstellung aufgebaut werden kann. Somit ist es möglich, den Optokoppler in einem Chip leicht und kostengünstig zu integrieren. Dadurch, dass der Optokoppler Licht aussenden und ebenso empfangen kann, ermöglicht er die optische Datenübermittlung in diesem Chip. Mit dem weltweit ersten Silizium-Optokoppler ist den Forschern ein echter Durchbruch gelungen: Grund genug, dass im Februar 2000 die Anmeldung zum Patent erfolgte.
Wo kann der Optokoppler nun praktische Anwendungen finden?
Besonders eignet sich der Optokoppler für die Sensorik von so genannten "Lab on Chip" Systemen (die man sich als Laboratorien in Chipgröße vorstellen kann). In der Bio- und Gentechnologie könnte man sie dann für die Suche nach bestimmten Molekülen verwenden. "Unser Optokoppler eignet sich auch für die Herstellung von Sensoren in der Mikrosystemtechnik", gibt Thoralf Gebel ein weiteres Beispiel. Da er auf Silizium (dem zweithäufigsten Element der Erde) basiert, ist er preiswerter als die herkömmlichen Lichtemitter und wäre somit eine echte Alternative.
