Erbium in Si-artigen Materialien - die Chancen für die Realisierung eines IR-Emitters

Silizium eignet sich aus prinzipiellen physikalischen Gründen nicht für lichtemittierende Bauelemente nach den von den halbleitenden III-V- und II-VI Verbindungen bekannten Prinzipien. Andrerseits wären viele neue Bauelemente möglich, wenn man Optoelektronik in die übliche, von Si dominierte Mikroelektronik integrieren könnte. Es wird daher weltweit mit großem Aufwand an der Entwicklung neuer Konzepte zur Lichterzeugung mittels Si gearbeitet. Ein möglicher Ansatz, die prinzipiellen Beschränkungen des Si zu umgehen, besteht in der "optischen Dotierung" von Si, und hier insbesondere mit Erbium, einem Element der Gruppe der "seltenen Erden", die schon beim Auer`schen Glühstrumpf verwendet wurden. Erbium wird bereits jetzt in optischen Glasfasern als Verstärkermedium für Höchstleistungsdatenübertragungssysteme eingesetzt, da es bei entsprechender Anregung bei einer Wellenlänge von 1,54 micro-m leuchtet, also bei einer Wellenlänge, bei der die Quarzfasern minimale Dämpfung zeigen. Diese charakteristische Wellenlänge des Er ändert sich auch bei Einbau des Er in Si nicht. In diesem Projekt sollen nun die physikalischen Prinzipien und die technische Realisierbarkeit von elektrisch bei Raumtemperatur betriebenen Lichtemittern auf Si:Er Basis mit akzeptablem Wirkungsgrad untersucht werden. Die konventionelle Anregung des Er in Si in einer in Vorwärtsrichtung gepolte Diode erweist sich als überraschend effizient bei tiefen Temperaturen, wird aber bereits weit unter Raumtemperatur stark unterdrückt. Diese Dämpfung wird auf die Rückgabe der Anregung an den Wirtskristall über weitere, gezielt eingebrachte "Koaktivatoren" (hier zumeist Sauerstoft) zurückgeführt. Dieser Prozeß soll im Detail untersucht werden und es sollen andere Koaktivatorarten in Hinblick auf eine verbesserte Ausbeute bei hohen Temperaturen erprobt werden. Der derzeit aussichtsreichste Ansatz basiert auf der Anregung des Er durch injizierte, hochenergetische Elektronen, wie sie bei einer in Sperrichtung vorgespannten Diode im Durchbruchsbereich auftreten. Dioden, die mit sehr hohem Sauerstoffgehalt zusätzlich zur Er-Dotierung hergestellt wurden, arbeiten auch bei hohen Temperaturen. Wir führen diese Eigenschaft auf die Bildung von Er-hältigen SiO2 -Ausscheidungen zurück, die günstigere Eigenschaften als Si:Er besitzen. Da diese SiO2 Präzipitate offensichtlich den Schlüssel für einen Betrieb bei Raumtemperatur darstellen, beabsichtigen wir im Rahmen dieses Projektes deren Anregung, ihre Spektren, und ihre Verlustmechanismen zu untersuchen, da diese drei Eigenschaften die Leistungsfähigkeit eines Bauelements bestimmen. Ein bereits bekanntes Hindernis bei der Realisierung eines Lasers auf Si:Er Basis ist die spektrale Verbreiterung der Emission, die von der unterschiedlichen Form und Größe der Präzipitate herrühren dürfte. Es sollen daher Methoden entwickelt werden, die Präzipitate, deren Abmessungen im Nanometer-Bereich liegen dürften, individuell zu untersuchen. Dafür soll einmal ortsaufgelöste Spektroskopie mit Hilfe eines Raster-Tunnel Mikroskopes und, alternativ, mittels Kathodolumineszenz, zum anderen Anregungsspektroskopie eingesetzt werden. Aus den gewonnenen Erkenntnisse sollen Schlüsse für die Optimierung eines Bauelementes gezogen werden. Schließlich sollen Prototypen von LED`s und Lasern entwickelt, gefertigt und getestet werden. Eine konservative Abschätzung zeigt, daß für optimale Resonatoren der Schwellwert für Laserbetrieb erreichbar sein sollte.