Hocheffiziente LEDs basierend auf amorphen Ge Quantenpunkten

Nach hochwertigen silizium-basierenden Licht-emittern wie etwa Leuchtdioden, die auch vollständig mit der silizium-basierten Mikroelektronik kompatibel sind, wird heutzutage mit großem Interesse geforscht. Die silizium- basierte integrierte Technologie benötigt solche hochwertigen Emitter, um den Engpass in der Chip-zu-Chip und chip-internen Datenübertragung zu lösen, welche durch die on-chip Verdrahtungswiderstände bedingt sind. Dieses Projekt zielt darauf ab eine neue Form von amorphen Germanium-Quantenpunkten zu untersuchen, die in kristallines Silizium eingebettet werden. Die Amorphisierung der Quantenpunkte entsteht während der Germanium-Abscheidung in einer Molekularstrahlepitaxieanlage durch Germaniumionenbeschuss. Diese neuartigen Quantenpunkte mit herausragenden optischen Eigenschaften bei Raumtemperatur sollen in photonische Strukturen wie etwa Mikoscheiben, photonische Kristalle und Wellenleiter eingebaut werden, um deren Lichtausbeute noch weiter zu steigern. Dabei zeigt sich bereits bei den ersten Vorversuchen, dass diese neuen Quantenpunkte vielfach bessere optische Eigenschaften besitzen als jene kristallinen Germanium-Quantenpunkte, über die in der Literatuer berichtet wurde. Um diese Projektvorhaben zu verwirklichen, hat der Antragsteller die Gruppe von Prof. Oliver Schmidt am Leibniz Institute for Solid State and Materials Research - Institute for Integrative Nanosciences in Dresden als Gastgeber ausgesucht, da dort nicht nur die notwendige Laborausstattung vorhanden ist, sondern auch weil diese Gruppe international eine Vorreiterrolle im Bezug auf die Herstellung von Gruppe-IV- und Gruppe-III-V-basierenden Nanostrukturen sowie deren Charakterisierung und Einbettung in photonische Strukturen spielt. Die in Dresden erworbenen Kenntnisse sollen dann nach zwei Jahren nach Linz ans Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik im Rückkehrjahr transferiert werden, um den international starken Standort, den Linz im Forschungsbereich der infraroten Lichtemitter spielt, weiterhin auch nach dem Ablauf des Spezialforschungsbereiches IRON (infrared optical nanostructures) zu verstärken.

In diesem Erwin Schrödinger Projekt wurde wissenschaftliches Neuland mit der Entwicklung eines Silizium Quantenpunktlasers betreten. Ohne jeden Zweifel hat die digitale Revolution unser Leben in den letzten Jahrzehnten nachhaltig verändert. Das Halbleiterelement Silizium ist der Hauptgrund dieser Entwicklung, da 95% aller digitalen Bauteile aus diesem Material bestehen. Daher und wohl auch aufgrund der Bedeutung von Silizium zur Herstellung von Beton Sand ist verunreinigtes Silizium spricht man von der heutigen Zeit als Siliziumepoche. In jedem Mobiltelefon, Computer oder Autosteuerungschip befinden sich Milliarden kleiner Siliziumbauteile, in denen Information erzeugt, bearbeitet und weitergeleitet wird. Letztere Datenübertragung funktioniert heutzutage mittels elektrischem Strom in Kupferleitungen. Da sich auf einem in etwa daumennagelgroßen Computerchip mehrere Kilometer dieser Kupferleitungen mit entsprechen kleinen Leitungsquerschnitten befinden, führt das zu enormen elektrischen Widerständen mit daraus resultierender Wärmeerzeugung. Daher beanspruchen die immer kleiner und schneller werdenden Chips relativ gesehen immer mehr Energie. Dies ist kein kleiner Effekt, da im Vergleich zum globalen Energieverbrauch der durch Elektronik verursachte Energiekonsum doppelt so schnell steigt. Da wiederum die Energie zum Betreiben elektronischer Geräte zum großen Teil aus fossilen Brennstoffen erzeugt wird, wird die digitale Welt in Zukunft vermehrt zum schon bestehenden Klimawandel beitragen. Aus diesem Grund wird weltweit intensiv nach Möglichkeiten optischer Datenübertragung auf Halbleiterchips und zwischen Halbleiterchips gesucht. Dies soll effizientere und vor allem schnellere Datenübertragung ermöglichen. Dazu benötigt man eine Lichtquelle einen Laser, der mittels integrierter Technologie kostengünstig auf Silizium hergestellt werden kann. Als indirekter Halbleiter ist Silizium allerdings nicht als Lichtemitter geeignet. In diesem Projekt wurde gezeigt, dass es möglich ist, mittels einer neuen Art von teilweise amorphen Germanium-Quantenpunkten solche Laser zu verwirklichen, welche mit den Erfordernissen der Mikro- und Nanoelektronik kompatibel sind. Es wurde gezeigt, dass durch die teilweise Amorphisierung der Quantenpunkte durch den Ionenbeschuss neue, effiziente Pfade für die Ladungsträgerrekombination entstehen, welche Lichtemission auf Siliziumbasis bei Raumtemperatur ermöglichen. Dieser SiGe Quantenpunktlaser, der zur Zeit noch optisch betrieben wird, könnte einen entscheidenden Schritt zur Einbindung von Si-basierten Lichtquellen in moderne Halbleiterbauelemente bedeuten. Dadurch könnten Datenübertragungs-geschwindigkeit und -Transferraten erheblich verbessert und der Energieverbrauch verringert werden, wodurch diese Technologie positiv zur weltweiten Energiebilanz beizutragen kann.