Elektrisch-gepumpte Silizium Quantenemitter

Das Element Silizium bildet in seiner kristallinen Form das Rückgrad jener digitalen Welt, die unser aller Leben und Zusammensein in den letzten Jahrzehnten verändert hat. Die Verkleinerung der Bauelemente auf Mikrochips führte dabei zur steten Erhöhung der Rechengeschwindigkeit. Zusätzlich könnte das Multitalent Silizium aber auch zu Durchbrüchen in der Quantenkommunikation führen. Kürzlich wurde entdeckt, dass Quellen einzelner Lichtteilchen, sogenannte Einzelphotonenquellen, Basis der Quantenkryptographie, auch durch gezielt eingebrachte Störungen im Silizium Kristallgitter erzeugt werden können. Dazu kommt, dass diese Einzelphotonen eine sehr vorteilhafte Wellenlänge im Telekommunikationsbereich haben, weswegen man für deren Übermittlung das weltweite Glasfasernetz verwenden könnte. Allerdings sind diese Quantenlichtquellen bisher nur unzureichend erforscht. Um die notwendigen Störungen im Kristallgitter zu erzeugen, werden nach dem Stand der Technik geladene Elemente, Ionen, etwa Kohlenstoff-Ionen, mit hoher Energie auf den Siliziumkristall geschossen. Der Einschlag erzeugt jede Menge Störungen im Kristallgitter, wobei auch sogenannte G-Zentren entstehen. Ein G- Zentrum besteht aus einem Siliziumatom, das an zwei Kohlenstoffatome gebunden ist, und diese Konfiguration ermöglicht es Quantenlicht auszusenden. Jedoch hat man bei der Zerschießung des Kristalls keine Möglichkeit vorherzusagen, in welcher Tiefe im Kristall die Störung entstehen wird. Das kann prinzipiell direkt unter der Oberfläche sein, oder aber auch in einer Tiefe von bis zu 1500 Atomebenen. Die Kontrolle der vertikalen Position wird jedoch entscheidend für die Zukunft dieser Technologie sein, da nur genau positionierte Lichtquellen auch mit anderen optischen Bauelementen wie Lichtleitern effizient verknüpft werden können. Dieses Projekt zielt darauf ab, eben jene vertikale Positionskontrolle durch den Einsatz kristallingewachsener Schichten zu gewährleisten. Die Schichten werden im Ultrahochvakuum erzeugt und bestehen etweder aus Silizium-Germanium Legierungen, oder aus Silizium, dem kleine Mengen an Kohlenstoff zugefügt werden. Dieses gezielte Wachstum, auch Epitaxie genannt, erlaubt, Schichtdicken, Legierungskonzentrationen, sowie Kohlenstoffmengen genauestens innerhalb einer Atomlage zu steuern. Im Projekt wird untersucht, ob die Störungen bevorzugt eher in der weicheren, sehr dünnen Silizium-Germanium Legierung entstehen, als im härteren Silizium, wenn man den ganzen Kristall mit den notwendigen Kohlenstoff-Ionen beschießt. Andererseits wird die Möglichkeit untersucht, die Störungen in der mit Kohlenstoff angereicherten dünnen Siliziumschicht zu erzeugen, wenn man den Kristall mit Wasserstoff-Ionen beschießt. Der für die Quantenlichtquellen nötige Kohlenstoff soll aus dem Kristall kommen, die Wasserstoff-Ionen sollen lediglich für die nötigen Störungen im Kristallgitter sorgen. Die daraus entsehenen Quantenlichteigenschaften werden mit optischen Methoden untersucht.

Wie erzeugt man aus Silizium, dem Herzstück moderner Computertechnologie, Quantenlicht in für die Datenkommunikation wichtigen Telekomwellenlängen? Im Projekt "SiCC! Quantum Light" wurden neuartige Wege zur Fertigung von Quantenlichtquellen, welche auf Farbzentren in Halbleitern basieren, untersucht. Ziel dabei war es, die vertikale Position der Emitter zu kontrollieren und die Reinheit des die Lichtquellen umgebenden Materials zu verbessern. Da herkömmliche Herstellungsmethoden solcher Farbzentren auf Ionenimplantation basieren, ist eine solche Kontrolle vom Prinzip her schwierig. Hier wurden neuartige, selbstorganisierte Silizium-basierte Farbzentren entwickelt, die direkt während des Wachstums kristalliner Strukturen entstehen und in extrem dünnen Lagen präzise eingeschlossen werden können. Diese Farbzentren lassen sich auch in leuchtstarke, elektrisch betriebene Bauelemente integrieren. Im Mittelpunkt der Forschung steht ein vollständig epitaktischer Herstellungsprozess bei außergewöhnlich niedrigen Temperaturen stattfindet. Dabei wird das Kristallwachstum so gesteuert, dass sich leuchtende Defektzentren, atomare Lichtquellen im Kristallgitter, selbsttätig, jedoch hochkontrolliert bilden. Durch die auf atomarer Ebene stattfindende Kontrolle der wenige atomlagen dicken Schichten werden die Zentren räumlich kontrolliert, und ihre optischen Eigenschaften homogenisiert. Das Resultat sind robuste, spektral stabile Emissionslinien, die für zukünftige quanten-photonische Anwendungen besonders wertvoll sind. Gleichzeitig ist der Prozess mit der etablierten Siliziumtechnologie kompatibel, was einen entscheidenden Vorteil für die spätere Skalierung und Integration in bestehende Chipfertigung darstellt. Überdies wurde demonstriert, dass die selbstorganisierten Farbzentren in Silizium-Leuchtdioden (LEDs) eingebettet wurden, die ebenfalls bei telekommunikationsrelevanten Wellenlängen funktionieren. Anders als konventionelle Silizium-LEDs, die aufgrund der indirekten Bandlücke meist ineffizient sind, nutzen diese Bauteile die Defektzentren als leuchtstarke Emissionsquellen. Diese können elektrisch angesteuert werden und eignen sich prinzipiell für die direkte Kopplung an Glasfaser-Kommunikation sowie für integrierte photonische Schaltkreise auf Silizium. Damit eröffnet sich ein Pfad zu kostengünstigen, kompakten Lichtquellen für Datenübertragung, Sensorik und quantenoptische Anwendungen. Wissenschaftlich bedeutsam sind dabei mehrere Aspekte: Die epitaktische Selbstorganisation erlaubt eine unerreichte Kontrolle über Lage, Dichte und Qualität der Umgebung der Farbzentren. Zugleich zeigt die erfolgreiche Realisierung von LEDs, dass sich diese Zentren nicht nur im Labor optisch anregen, sondern auch in praxistaugliche, elektrisch betriebene Bauelemente überführen lassen. Langfristig könnten Ergebnisse des Projektes den Weg zu voll integrierten Silizium-Quantenphotonik-Plattformen ebnen, in denen Lichtquellen, Wellenleiter und Detektoren auf einem Chip zusammenarbeiten, kompatibel mit den Fertigungsstandards der Halbleiterindustrie. Darüber hinaus bilden die so erschaffenen Farbzentren für die Quantentechnologie eine potenziell massenfabrikationsfähige Basis, um einzelne Photonen in relevanten Wellenlängenbereichen zu erzeugen und zu kontrollieren. Diese Arbeiten dieses Projekts markieren damit einen wichtigen Schritt hin zu schnellerer, sichererer und ressourcenschonender Informationsverarbeitung mit Quantenlicht.