News: Unerwartetes Leuchten
Silicium gilt eigentlich nicht als Material, das sonderlich gut Licht produziert. Nun ließ es sich offenbar doch zur Lichtemission bewegen.
Keine Frage, in Sachen Mikroelektronik hat Silicium die Nase vorn. Doch während Computerchips und Speicherbausteine auf den Halbleiter bauen, sind für optoelektronische Anwendungen Alternativen gefragt. Der Grund: Silicium gilt aufgrund seiner indirekten Bandlücke als eher bescheidene Lichtquelle.
Indirekte Bandlücke – was ist das? Wie in allen anderen Halbleitern auch, müssen sich die Ladungsträger im Silicium für eine von zwei Energieregionen entscheiden: das Valenzband oder das Leitungsband. Das Leitungsband liegt energetisch gesehen etwas höher als das Valenzband, und so verlieren Elektronen, die vom oberen in das untere Band wechseln, Energie und emittieren ein Photon mit entsprechender Wellenlänge. Im Silicium können die Elektronen jedoch nicht einfach auf der Energieskala nach unten hüpfen, sie müssen vielmehr noch zusätzlich einen Satz zur Seite tun oder physikalischer gesprochen: Ihnen muss noch ein Impuls in die richtige Richtung mitgegeben werden.
So ein kombinierter Sprung nach unten und gleichzeitig zur Seite ist natürlich viel komplizierter, als sich einfach nach unten fallen zu lassen – kein Wunder, dass längst nicht jedes Elektron dazu in der Lage ist. Die Wahrscheinlichkeit für den Übergang zwischen den beiden Bändern ist dementsprechend gering, weshalb auch die Photonenausbeute eher spärlich ist.
Mit allerlei Tricks haben Wissenschaftler versucht, die Emissionsfreudigkeit von Silicium zu verbessern – durchaus erfolgreich zum Teil. Nanometer kleine Silicium-Kristalle besitzen beispielsweise keine indirekte Bandlücke, sondern eine direkte, bei der kein zusätzlicher Impuls nötig ist. Und auch Dotierungen konnten dem Halbleiter bereits zu besseren optischen Eigenschaften verhelfen.
Aber vielleicht ist all der Aufwand gar nicht nötig. Denn Thorsten Trupke und seine Kollegen von der University of New South Wales in Sydney konnten nun zeigen, dass auch ganz normales Silicium durchaus effizient Licht emittieren kann. Dazu bestrahlten die Wissenschaftler herkömmliche Silicium-Wafer mit dem Licht einer Laserdiode von 780 Nanometern Wellenlänge. Das veranlasste offensichtlich auch das Silicium, Licht abzustrahlen.
Erklären lässt sich das wie folgt: Die auftreffenden Photonen regen Elektronen in das höhere Energieniveau des Leitungsbandes an, wobei ein Loch im Valenzband zurück bleibt. Aus dem Leitungsband fallen die Elektronen wieder ins Valenzband zurück und rekombinieren dort wieder unter Lichtemission mit den Löchern.
Die Effizienz dieser so genannten externen Lichtemission berechneten die Forscher, indem sie die Zahl der emittierten Photonen durch die Zahl der zur Anregung benötigten Lichtteilchen teilten. Immerhin ergab sich ein Wirkungsgrad von 6,1 Prozent bei Raumtemperatur und 10,2 Prozent bei 130 Kelvin – also stark gekühlten Siliciumproben.
Aus diesen Daten trafen die Forscher mit einem theoretischen Modell eine Vorhersage für den internen Wirkungsgrad unter optimalen Bedingungen: Mehr als 20 Prozent sollen es sein. Dabei ist dieser interne Wirkungsgrad das Verhältnis aus Zahl der Photon, die spontan innerhalb der Probe emittiert werden, und der gesamten internen Rekombinationsrate pro Fläche.
"Das Ergebnis deutet an, dass strahlende Rekombination einer der dominanten Rekombinationsprozesse in reinem, kristallinen Silicium ist," meint Trupke. "Das steht in gravierendem Kontrast zu der weit verbreiteten Annahme, dass Silicium von Natur aus eine schlechte Lichtquelle ist."
Indirekte Bandlücke – was ist das? Wie in allen anderen Halbleitern auch, müssen sich die Ladungsträger im Silicium für eine von zwei Energieregionen entscheiden: das Valenzband oder das Leitungsband. Das Leitungsband liegt energetisch gesehen etwas höher als das Valenzband, und so verlieren Elektronen, die vom oberen in das untere Band wechseln, Energie und emittieren ein Photon mit entsprechender Wellenlänge. Im Silicium können die Elektronen jedoch nicht einfach auf der Energieskala nach unten hüpfen, sie müssen vielmehr noch zusätzlich einen Satz zur Seite tun oder physikalischer gesprochen: Ihnen muss noch ein Impuls in die richtige Richtung mitgegeben werden.
So ein kombinierter Sprung nach unten und gleichzeitig zur Seite ist natürlich viel komplizierter, als sich einfach nach unten fallen zu lassen – kein Wunder, dass längst nicht jedes Elektron dazu in der Lage ist. Die Wahrscheinlichkeit für den Übergang zwischen den beiden Bändern ist dementsprechend gering, weshalb auch die Photonenausbeute eher spärlich ist.
Mit allerlei Tricks haben Wissenschaftler versucht, die Emissionsfreudigkeit von Silicium zu verbessern – durchaus erfolgreich zum Teil. Nanometer kleine Silicium-Kristalle besitzen beispielsweise keine indirekte Bandlücke, sondern eine direkte, bei der kein zusätzlicher Impuls nötig ist. Und auch Dotierungen konnten dem Halbleiter bereits zu besseren optischen Eigenschaften verhelfen.
Aber vielleicht ist all der Aufwand gar nicht nötig. Denn Thorsten Trupke und seine Kollegen von der University of New South Wales in Sydney konnten nun zeigen, dass auch ganz normales Silicium durchaus effizient Licht emittieren kann. Dazu bestrahlten die Wissenschaftler herkömmliche Silicium-Wafer mit dem Licht einer Laserdiode von 780 Nanometern Wellenlänge. Das veranlasste offensichtlich auch das Silicium, Licht abzustrahlen.
Erklären lässt sich das wie folgt: Die auftreffenden Photonen regen Elektronen in das höhere Energieniveau des Leitungsbandes an, wobei ein Loch im Valenzband zurück bleibt. Aus dem Leitungsband fallen die Elektronen wieder ins Valenzband zurück und rekombinieren dort wieder unter Lichtemission mit den Löchern.
Die Effizienz dieser so genannten externen Lichtemission berechneten die Forscher, indem sie die Zahl der emittierten Photonen durch die Zahl der zur Anregung benötigten Lichtteilchen teilten. Immerhin ergab sich ein Wirkungsgrad von 6,1 Prozent bei Raumtemperatur und 10,2 Prozent bei 130 Kelvin – also stark gekühlten Siliciumproben.
Aus diesen Daten trafen die Forscher mit einem theoretischen Modell eine Vorhersage für den internen Wirkungsgrad unter optimalen Bedingungen: Mehr als 20 Prozent sollen es sein. Dabei ist dieser interne Wirkungsgrad das Verhältnis aus Zahl der Photon, die spontan innerhalb der Probe emittiert werden, und der gesamten internen Rekombinationsrate pro Fläche.
"Das Ergebnis deutet an, dass strahlende Rekombination einer der dominanten Rekombinationsprozesse in reinem, kristallinen Silicium ist," meint Trupke. "Das steht in gravierendem Kontrast zu der weit verbreiteten Annahme, dass Silicium von Natur aus eine schlechte Lichtquelle ist."
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