Silizium basierte Lichtemitter: Neue Möglichkeiten für Lab-on-Chip Systeme ?

In den hier beschriebenen Untersuchungen werden Nanostrukturen durch Ionenimplantation in thermisch auf einen Siliziumwafer (100, n-Typ) aufgewachsene SiO2 - Schichten erzeugt. Im Anschluß an die Ionenimplantation werden durch eine Temperung Strahlenschäden ausgeheilt und die Clusterbildung angeregt. Die so erhaltenen Nanocluster weisen Größen von 4 ... 6 nm auf. Als Frontkontakt der Lumineszenzstrukturen wird eine aufgesputterte transparente Indium-Zinnoxid (ITO) - Schicht lithographisch in kreisrunde Flächen von 0.2mm2 strukturiert. Der Rückseitenkontakt wird durch Al - Beschichtung der Wafersrückseite hergestellt.
Die Metall-Oxid-Halbleiter (MOS) - Anordnung mit clusterhaltigen Schichten wird durch eine zwischen der ITO - Deckelektrode und dem Si - Substrat angelegte Spannung zur Elektrolumineszenz (EL) angeregt. Die emittierte Lichtleistung hängt linear von der Anregungsleistung ab. Für Untersuchungen zur Photolumineszenz (PL) erfolgte die Anregung mit einer Xenon - Lampe bei einer Wellenlänge von 250 nm. Das Spektrum des emittierten Lichts liegt im blau/violetten Wellenlängenbereich und enthält zudem noch einen beträchtlichen UV - Lichtanteil. Die erzielten Leistungseffizienzen erreichen Werte bis zu 0.5%.
Ab Lichtleistungen von 10 nW, also bei ca. 5 µWcm-2 , ist das Licht mit bloßem Auge sichtbar. Maximale Lichtleistungen liegen derzeit bei einigen Hundert nW. Durch eine Verbesserung der Kantenpassivierung der Emitterstrukturen ist eine weitere Erhöhung der Betriebsleistung möglich.
Derzeit sind die für die Fluoreszenzanalyse verwendeten bioaktiven Substanzen nahezu alle auf die häufig verwendeten 633 nm - Laser optimiert. Es sind jedoch alternativ Farbstoffe, die blau/violett oder im UV angeregt werden können, verfügbar. Damit könnten derart integrierbare, in Siliziumtechnologie hergestellte Emitter - Strukturen in Lab-on-a-Chip Systemen Anwendung finden. Zudem wird eine ortsaufgelöste Anregung möglich, da die Lichtemitter mittels gängiger Photolithographie einfach strukturiert und dann durch entsprechende Chip - Ansteuerung gezielt geschaltet werden können. Eine kostengünstige Realisierung der Strukturen würde sogar die Verwendung als "Disposable" ermöglichen.

Im Vortrag werden die optischen und elektrischen Eigenschaften der Emitter vorgestellt. Ausgehend vom jetzigen Erkenntnisstand werden Anwendungen, wie z. B. ein integrierter Optokoppler, und Perspektiven siliziumbasierter Lichtemitter auf der Basis von Nanostrukturen aufgezeigt. Für zukünftige Applikationen sind dabei insbesondere Möglichkeiten der Einstellung der Wellenlänge durch geeignete Herstellungsvarianten interessant. Die internationalen Aktivitäten hinsichtlich der Realisierung von Si - basierten Lasern versprechen weitere interessante Aspekte für die Anwendung derartiger Strukturen.