Italienische Forscher verstärken mit Nanotechnik Licht in Silizium

Mikroelektronische Schaltungen gehorchten jahrelang dem sogenannten Mooreschen Gesetz, nach dem sich die Speicherdichte eines Chips alle zwölf bis achtzehn Monate verdoppelt. Dies wurde erreicht durch eine immer weiterreichende Miniaturisierung der Bauelemente. Aber diese Entwicklung stößt an eine Grenze, da durch die Miniaturisierung Interferenzeffekte zwischen benachbarten Komponenten auftreten, welche die Übertragungsgeschwindigkeit von Elektronen verlangsamen. Um dieses Problem zu lösen, möchte man die Elektronen durch Lichtteilchen, sogenannte Photonen, ersetzen.

In der Informationstechnologie wird diese Idee schon umgesetzt: So finden sich in CD-Spielern Miniaturlaser aus dem teuren Halbleitermaterial Galliumarsenid. Mit dem Licht aus diesem Laser wird die auf der CD gespeicherte Information ausgelesen und übertragen. Problematisch ist allerdings, dass mikroelektronische Schaltungen aus dem preiswerteren Halbleitermaterial Silizium hergestellt werden und sich dieses bisher weigerte, effizient Photonen zu emittieren, die zu einem Laserstrahl gebündelt werden können.

Italienischen Forschern um Lorenzo Pavesi von der Universität Trient gelang nun ein Durchbruch: Sie konnten erstmalig Licht in einer Siliziumstruktur verstärken. Ihre Arbeit veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Nature (Vol. 408, S. 440-444, 2000).

Damit Silizium Licht verstärkt, muss das Silizium in sehr kleine Stücke geteilt werden. Die Wissenschaftler stellten winzige Kristalle aus Silizium her, die lediglich drei Nanometer gross sind. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Dieser Nanokristall – aufgrund seine Größe auch Quantum Dot oder Quantenpunkt genannt – enthält Tausende von Atomen, die regelmäßig angeordnet sind.

Ein Quantenpunkt besitzt wie ein Atom diskrete energetische Zustände. Wird ein Atom durch Einstrahlung von Licht elektronisch angeregt, so wird ein Elektron aus einem energetisch tiefer liegenden Zustand in einen höher liegenden angehoben. Nach einer bestimmten Zeit fällt das Elektron in seinen ursprünglichen Zustand zurück und die überschüssige Energie wird in Form von Lichtteilchen abgegeben.

Das Gleiche beobachteten die Wissenschaftler bei den Silizium-Nanokristallen. Sie bestrahlten die Kristalle mit einem Laser im ultravioletten Bereich und der Kristall emittierte Lichtteilchen im roten und infraroten Bereich. Um diesen Effekt zu verdeutlichen, durchstrahlten die Forscher den Kristall mit einem zweiten Laserstrahl, dessen Farbe der der ausgestrahlten Lichtteilchen entspricht: Wie gehofft wurde der Laserstrahl durch die zusätzlichen Lichtteilchen aus dem Silizium-Kristall verstärkt.

Für die Informationstechnologie ist diese Arbeit ein Silberstreif am Horizont, eines Tages doch noch den begehrten und preiswerten Mikrolaser aus Silizium herzustellen. Gleichzeitig würde es die Gültigkeit des Mooreschen Gesetzes bestätigen, das somit noch nicht zu den Akten gelegt werden müsste.