Leuchtendes Silizium
Australischen Wissenschaftlern ist es gelungen, Silizium-Leuchtdioden bei Zimmertemperatur entscheidend effizienter zu machen
Kleinere und schnellere Rechner für Computersysteme sind das Ziel: Forscher in aller Welt liefern sich einen Wettlauf, um effiziente Silizium-Leuchtdioden zu entwickeln, die problemlos in mikroelektronische Geräte aus Silizium integriert werden können.
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Leucht- oder Lumineszenzdioden (LED, englisch: Light Emitting Diode) werden vor allem als Anzeigemittel z.B. in Stereoanlagen oder in Armaturenbrettern verwendet sowie in Geräten zur optischen Datenübertragung eingesetzt. In LEDs wandeln die Halbleiter den Strom direkt in Licht um, dabei wird die Lichterzeugung durch den inneren Photoeffekt in den Materialien bewirkt. Sobald der Strom fließt, werden negative und positive Ladungen kombiniert, das erzeugt das Licht. Die beiden Ladungen besitzen einen Eigendrehimpuls und rotieren um ihre eigene Achse. Leuchtdioden sind klein, leicht, robust, langlebig und leistungsstark. Geringe Ströme von wenigen Milliampere reichen aus, um sie zum Leuchten zu bringen.
Funktion bei Raumtemperatur
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Bereits im März hatten englische Physiker eine bei Raumtemperatur funktionierende Lumineszenzdiode auf Siliziumbasis präsentiert (Vgl. Kleinere und schnellere Computer). Silizium ist der wichtigste Grundstoff der Halbleitertechnik, aus ihm werden Computermikrochips, Transistoren und Solarzellen hergestellt. Für die Herstellung von Halbleitern wird es in höchster Reinheit produziert. Es ist aber ein so genannter indirekter Halbleiter und deshalb nicht fähig, elektrische Impulse effektiv in Licht umzuwandeln. Übliche Materialien für Leuchtdioden sind Galliumarsenid und Germanium, die aber wegen ihrer verschiedenen Gitterstrukturen nur schlecht mit Silizium-Bauteilen kombiniert werden können. Bekannt ist seit Jahren, dass Silizium-Krümel im Nanobereich, wo quantenmechanische Effekte wirken, wesentlich besser Licht erzeugt. Das britische Team beschoss das Silizium mit Bor-Ionen und erreichte eine Lumineszenzdiode mit einer Effektivität (Umwandlungsanteil in Licht) von 0,1 Prozent (vorher meistens unter 0,01%).
Ein Prozent Effektivität
Das australische Team um Martin A. Green vom Center für Fotovoltaik und der School for Physics der University of New South Wales in Sydney erreichte eine bei Zimmertemperatur wesentlich erhöhte Effektivität von einem Prozent. Ein Prozent war der Effizienz-Wert klassischer Leuchtdioden vor rund 10 Jahren. Greens Gruppe forscht seit Jahrzehnten nach Silizium-Solarzellen. Um eine gute Lichtabstrahlung bei LEDs zu erreichen, nutzt die Lumineszenz-Wellenlängenkonversion den Effekt der Absorption kurzwelliger Strahlung. Mit diesem Phänomen haben Fotovoltaik-Forscher eine Menge Erfahrung.
Ihr Verfahren beschreiben die Physiker so:
Unsere Geräte beruhen auf dem normalerweise schwachen Ein- und Zweiphonon unterstützten Lichtererzeugungsprozess unterhalb der Bandlückenenergie. Das Design nutzt den Vorteil, den die Reziprozität zwischen der Lichtabsorption und -emission bietet, indem die Absorption in relevanten Wellenlängen unterhalb der Bandlückenenergie maximiert wird, während der Bereich für parasitäre strahlungslose Rekombination innerhalb der Diode reduziert wurde. Es hat sich gezeigt, dass jedes Merkmal individuell die Emissions-Effizienz um den Faktor von zehn erhöht, zusammengerechnet ergibt das die Erhöhung der Effizienz um einen Faktor von hundert im Vergleich mit Baseline-Geräten.
Konkurrenz zu LEDs sind inzwischen die "Organischen Licht Emittierenden Dioden", kurz OLED. Sie bestehen aus Polymeren (Kunststoffen) oder anderen organischen Materialien und lassen sehr flexible Einsatzformen zu. Erste organische Displays sind schon auf dem Markt erhältlich, in Deutschland ist die TU Dresden in der Entwicklung zur Zeit führend.
Interessant sind auch die Entwicklungen im Bereich der elektronischen Tinte (Vgl. Elektronische Tinte auf dünnen Plastikdisplays)
Die Hoffnung auf ein Silizium-LED mit dem die optische Netzwerktechnologie direkt in den Silizium-Chips besteht trotzdem weiter, auch wenn die Effizienz selbst nach der Entdeckung der Australier noch lange nicht befriedigend ist. Der Computer auf Lichtbasis (Vgl. Photonischer Transistor) kommt vielleicht schneller als gedacht.
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