Defektverstärkte Quantenpunkte als Silizium-Lichtemitter

Silizium, ein Element der Gruppe-IV im Periodensystem, ist das alles beherrschende Material der digitalen Welt, da alle integrierte Bauelementtechnologie (Chips) darauf basiert. Allerdings stößt die derzeit auf Siliziumelektronik basierte Digitalisierung bei der Datenübertragungsgeschwindigkeit und dem Energieverbrauch auf klar absehbare Grenzen. Durch die Miniaturisierung der einzelnen Bauteile werden immer längere und zugleich dünnere Leiterbahnen aus Kupfer benötigt, was die Datenübertragung limitiert und gleichzeitig die dazu benötigte Energie drastisch erhöht. Aus diesem Grund wird vermehrt nach auf Licht basierenden Möglichkeiten zur Übertragung von Daten auf Siliziumchips geforscht. Leider ist Silizium selbst aufgrund materialspezifischer Eigenschaften hauptsächlich wegen seiner indirekten Energielücke - ein denkbar schlechter Lichtemitter. In diesem Projekt wird ein grundsätzlich neuer Ansatz erforscht, Licht aus mit Silizium kompatiblen Gruppe-IV Materialien (z. B. Germanium) zu gewinnen. Die hier vorgestellte neue Materialklasse besteht aus epitaktisch gewachsenen Germanium Quantenpunkten, d.h. wenigen Atomlagen hohen verspannungsinduzierten Materialaufwerfungen, in die durch zusätzliche Ionenimplantation gezielt Störungen der Kristallstruktur eingebracht werden (Defekte). Wir konnten in Vorstudien zeigen, dass unser Ansatz die optischen Eigenschaften der Gruppe-IV Elemente gerade bei Raumtemperatur drastisch verbessert und dass Leuchtdioden, die sogar bis zu 100C effizient Licht aussenden, hergestellt werden können. Um in Zukunft diese Lichtemitter mit Silizium basierter Elektronik verknüpfen zu können, wird ein elektrisch gepumpter Laser benötigt. Das Materialsystem selbst, wie z. B. die verschiedenden möglichen Kristallstrukturstörungen sowie deren Zusammenspiel mit den strukturellen, chemischen und optoelektronischen Eigenschaften der Quantenpunkte wurde bisher nicht grundlegend erforscht. Aus den oben genannten Gründen ergeben sich folgende Ziele dieses Projektes: (1) Das System Quantenpunkt-Kristalldefekt muss sowohl experimentell als auch im Zusammenspiel mit einer Unterstützung durch die Theorie im Bezug auf die strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften erforscht werden. Dabei werden derzeit vorhandene Schwächen, wie z.B. das Ausmaß von Verlustmechanismen bestimmt und Strategien zu deren Verringerung entwickelt. (2) Um die Lichtausbeute der defektbasierten Quantenpunkte weiter zu erhöhen werden die Herstellungsparameter variiert und dadurch die vielversprechensten gefunden werden. (3) Die Arbeiten in (1) und (2) sind erforderlich um das eigentliche Ziel zu erreichen, einen mit der Siliziumtechnologie kompatiblen elektrisch gepumpten Diodenlaser herzustellen. Der Erfolg dieses Projektes könnte ein entscheidener Schritt zur Einbindung von siliziumbasierten Lichtquellen in moderne Halbleiterbauelemente sein.