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Lichtspiele auf dem Mikrochip

19.11.2007
Wissenschaftler bringen Silizium zum Leuchten, indem sie Quanteneffekte nutzen

Die Hersteller von Computerchips lieben Silizium - doch inzwischen platzt es aus allen Nähten. Die Nachfrage nach immer höherer Rechenkapazität ist enorm. Kleiner und schneller würden Prozessoren aus Silizium etwa, wenn sie mit Licht rechnen könnten. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik haben nun gleich zwei verschiedene Siliziumdioden zum Leuchten gebracht. Ein Autor der MaxPlanckForschung hat die zwei Verfahren unter die Lupe genommen. In der neusten Ausgabe des Magazins berichtet er, warum Siliziumchips vielleicht schon bald mit viel mehr Bits und Bytes jonglieren können. (MaxPlanckForschung 3/2007)


Hier leuchtet Silizium schon - aber nicht in der Diode, wie sie für die Optoelektronik nötig wäre. Bild: SPL - Agentur Focus

Einige Wissenschaftler hoffen, dass Licht einmal den Platzmangel auf Computerchips beheben kann. Dann sollen Photonen statt Elektronen mit Daten hantieren und so noch mehr Rechenleistung auf engstem Raum ermöglichen. Auf Silizium als Grundlage für Mikrochips möchten die Forscher dabei freilich nicht verzichten. Zu gut beherrscht die Industrie es inzwischen, Transistoren aus diesem Material zu ätzen. Eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle hat Silizium jetzt das Leuchten beigebracht, indem sie Quanteneffekte ausnutzt.

Damit ein Material Licht aussendet, müssen seine Elektronen zunächst Energie aufnehmen, die ihnen etwa in Form von elektrischem Strom angeboten werden kann. Dabei hüpfen sie von einem tieferen energetischen Niveau in ein höheres - auf einer Art energetischem Sprungbrett. Von dort lassen sie sich wieder in die Tiefe fallen und geben ihre überschüssige Energie im besten Falle als Licht ab. Aber die Elektronen des Siliziums gelangen nur auf einem Umweg auf das Sprungbrett. Den finden sie nur schwer, so dass Silizium normalerweise nicht leuchtet.

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Einen Trick, um den Elektronen des Siliziums auf die Sprünge zu helfen, beherrschen am Hallenser Max-Planck-Institut Peter Werner, Vadim Talalaev und ihre Mitarbeiter. So haben die Forscher kürzlich eine Leuchtdiode auf der Basis von Halbleitern konstruiert. In ihr stellt Silizium jedoch nur eine Komponente dar: Wie in einem Sandwich haben die Wissenschaftler abwechselnd nanometerdünne Schichten aus Silizium mit einer Prise Antimon und Germanium übereinander gestapelt. Das Germanium-Silizium-Supergitter leuchtet, weil die Elektronen des Siliziums in den benachbarten Germaniumschichten passende Löcher finden, in die sie mit einer Leuchtspur fallen können.

Die Schichten aus Germanium dürfen im Schnitt nicht einmal fünf Nanometer messen, und die aus Silizium auch nicht viel mehr, damit das Supergitter Licht abgibt. "Die Quanteneffekte, die im Nanometerbereich auftreten, machen diese Forschung für uns interessant", sagt Ulrich Gösele, Direktor des Instituts. Einer der Effekte ist, dass die Elektronen benachbarter Siliziumschichten durch die trennende Germaniumebene tunneln. Dabei vollbringen sie ein Kunststück, das nur in der Quantenphysik möglich ist. Sie gehen durch eine Wand. Der Tunneleffekt macht das Silizium-Germanium-Supergitter erst zu einer brauchbaren Lichtquelle. Sandwiches aus dickeren Lagen der beiden Halbleiter leuchten zwar auch, aber nur sehr schwach, weil die Elektronen nur schlecht zu den Löchern im Germanium gelangen. "Eine Siliziumdiode mit unserer Effizienz würde für die Optoelektronik schon reichen", sagt Talalaev und meint damit unter anderem die Hersteller von Computerchips. "Jetzt versuchen wir, daraus einen Laser zu bauen."

Einen Silizium-Laser zu bauen, versucht auch Margit Zacharias, die kürzlich noch eine Forschungsgruppe in Ulrich Göseles Abteilung leitete. Sie setzt dabei auf die Nanotechnologie. Ihre Silizium-Nanokristalle ordnen sich in einem Block von Siliziumdioxid zu einem Muster an, das auf Bildern eines Transmissions-Elektronenmikroskops an eine belgische Waffel erinnert. Doch eigentlich passt der Vergleich mit einem Kirschkuchen besser, denn die Nanokristalle sitzen im in der isolierenden Schicht des Siliziumdioxids wie die Kirschen im Teig. Nur eben viel geordneter, sodass sie wiederum ein Supergitter aus Quantenpunkten formen.

Die Größe der Kristalle ist auch hier entscheidend. "Ich stelle mir das manchmal selber so vor, dass sich die Elektronen und Löcher in den Nanokristallen einfach nicht aus dem Wege gehen können", sagt Zacharias. Da der Abstand so klein ist, finden sie leichter zueinander und geben bei ihrer Begegnung einen Lichtblitz ab. Aber das Siliziumdioxid sperrt als Isolator nicht nur die Elektronen und Löcher in den Nanokristallen ein, es verhindert auch, dass von außen welche in den Kristall eindringen. Das ist ungünstig, wenn Strom die Energie zum Leuchten liefern soll. "Die Löcher und Elektronen müssen also durch die Siliziumdioxidschicht tunneln", sagt Lorenzo Pavesi. Er unterstützt Zacharias von der Universität Trento in Norditalien aus. "Dafür sind die Oxidschichten um die Nanokristalle bislang noch zu dick." Immerhin hat Pavesi aber schon Ideen, die Probleme zu lösen. "Wie wir das machen wollen, kann ich natürlich nicht verraten", sagt er: "Aber die Chancen stehen gut."

Eine ausführliche Version dieses Textes finden Sie im Schwerpunkt der neuesten Ausgabe der MaxPlanckForschung. Unter dem Titel "Neue Materialien" beleuchten wir unter anderem die technischen Möglichkeiten, die in Stoffen aus der Natur schlummern. Max-Planck-Forscher versuchen die Prinzipien der Natur nutzbar zu machen. Die Wissenschaftler gucken bei ihrer Suche nach neuen Werkstoffen, was unter der Oberfläche von Muscheln steckt, und woher Holz seine Stärke nimmt. In dem Beitrag "Das Geheimnis in der Austernschale" schildern wir, wie Schalentiere, Seeigel und Korallen die Ideen zu neuen keramischen Materialien liefern. In "Bäume zeigen Muskeln" erweist sich die Natur als ausgezeichneter Baumeister biegsamer Fasern. Und die Max-Planck-Forscher erweisen sich als ihre Lehrlinge, die nach ihrem Vorbild Glasfaserstoffe für den Flugzeugbau optimieren. Dass die Materialforschung auch von einem Blick zurück profitieren kann, beleuchten wir hingegen in dem Beitrag "Das Metall macht die Musik". Dabei stellen wir Ihnen Metallforscher vor, die aufklären, warum die Orgelpfeifen barocker Baumeister einen so guten Klang erzeugen. Damit Musikliebhaber in Zukunft Orgelkonzerte in der Qualität von Bach und Buxtehude genießen können.

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Dem Heft liegt der GEOMAX "Vom Dotcom zum Cluster - wie Gründergeist das Wirtschaftswachstum ankurbelt" bei.

MaxPlanckForschung erscheint viermal im Jahr. Das Wissenschaftsmagazin kann bei der Pressestelle der Max-Planck-Gesellschaft oder über unser Webformular abonniert werden. Der Bezug ist kostenfrei.

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

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