Silicium weist den Weg

News: Silicium weist den Weg

Den Chip-Herstellern gelingt es, immer schnellere Prozessoren herzustellen, doch ist ihre Kunst vergeblich, wenn nicht auch die Kommunikationen zwischen den einzelnen elektronischen Bauelemente beschleunigt wird. Ein Ausweg wäre, einen Teil der trägen Metallleitungen durch optische Verbindungen zu ersetzen. Ein Schritt in diese Richtung scheint getan, denn Wissenschaftler entwickelten eine vergleichsweise effiziente Leuchtdiode auf Basis von Silicium.

Leuchtdioden – LEDs – wandeln elektrische Energie in Licht. Das geschieht, indem der Strom in einem Halbleiter zum einen negativ geladene Elektronen und zum anderen aus entgegengesetzter Richtung positiv geladene Löcher in einen bestimmten Bereich transportiert. Die Elektronen befinden sich dort, energetisch gesehen, über den Löchern und fallen deshalb auf das tiefere Loch-Niveau – man bezeichnet das auch als Rekombination. Bei diesem Vorgang wird ein Photon emittiert und zwar genau mit der Energie, die dem Unterschied der beiden Energieniveaus entspricht.

Leider lassen sich jedoch ausgerechnet die Halbleiter, die am besten Licht emittieren, wie beispielsweise Galliumarsenid, nur schwer in bestehende Chips auf Basis von Silicium integrieren. Silicium selbst ist hingegen wenig effizient bei der Erzeugung von Licht, gerade mal 0,01 bis 0,1 Prozent der Photonen vermögen dem Material zu entkommen, der Rest produziert unbrauchbare Wärme. Was also tun?

Der Physiker Martin Green und seine Kollegen von der University of New South Wales in Sydney bedienten sich nun eines Tricks, mit dem man bereits erfolgreich den Wirkungsgrad von Solarzellen steigert. In den letzten Jahren fanden nämlich Wissenschaftler heraus, dass diese wesentlich mehr Licht absorbieren, wenn man ihre Vorder- und Rückseite in bestimmter Weise strukturiert. Da nun aber gerade die Halbleiter, die besonders wirkungsvoll Licht absorbieren, auch gleichzeitig zu den außerordentlich guten Emittern zählen, vermuteten Green und seine Mitstreiter, mit dieser Technik auch die Effizienz von Silicium-Leuchtdioden zu verbessern.

Und so ätzten die Forscher kurzerhand eine Vielzahl umgedreht pyramidenförmiger Senken in die Silicium-Oberfläche. Außerdem nutzten sie eine ebene, spiegelartige Oberfläche als Substrat für ihre Struktur. Wie sich zeigte, verließen wesentlich mehr Photonen das neuartige Bauelement. Die Lichtausbeute erhöhte sich so bei Raumtemperatur um einen Faktor zehn bis hundert auf etwa ein Prozent. Das liegt grob in dem Bereich herkömmlicher Leuchtdioden auf Basis von Galliumarsenid, die einen Wirkungsgrad von etwa fünf Prozent aufweisen.

So fehlt offensichtlich nicht mehr viel, bis Silicium-Dioden so hell leuchten wie ihre Geschwister aus Galliumarsenid. Und Green gibt sich optimistisch: "Wir meinen, dass wir eine Effizienz von fünf Prozent erreichen, wenn wir den rückseitigen Reflektor noch verbessern."