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.