Das Forschungsteam überwindet Materialherausforderungen und bietet einen neuen Weg für hocheffiziente LEDs

Silizium hat lange Zeit die Rennen der Halbleitermaterialien dominiert, aber seine „angeborenen Defekte“ im Bereich der Optoelektronik haben auch seinen Wachstumsspielraum begrenzt. Kürzlich entwickelten Forscher ein neues Halbleitermaterial aus einer Kombination von Germanium und Zinn, das eine bessere Lichtabsorptions- und Emissionsleistung als Silizium-Halbleiter aufweist und möglicherweise zur nächsten Generation hochleistungsfähiger Halbleiter werden könnte.

Silizium ist der Grundpfeiler der modernen Elektronikindustrie; Chips der meisten elektronischen Produkte wie Computer und Mobiltelefone bestehen hauptsächlich aus Silizium und sind nach wie vor schwer durch andere Materialien zu ersetzen.

Obwohl Silizium Vorteile wie technologische Reife und niedrige Kosten bietet, führt seine Eigenschaft der "indirekten Bandlücke" zu einer Lichtausbeute, die weit unter der von Materialien mit direkter Bandlücke liegt (wie Galliumarsenid GaAs). Folglich kann es nicht direkt als effiziente Laser- oder LED-Lichtquellenkomponente dienen und hat Schwierigkeiten, bedeutende Beiträge im Bereich der Optoelektronik zu leisten.

Um eine optische Kommunikation auf Chips zu realisieren (schneller und energieeinsparungsfähiger als die elektronische Übertragung), müssen Ingenieure in der Regel teure Materialien der III-V-Gruppe (wie Galliumarsenid) heterogen integrieren, ein komplexer und kostspieliger Prozess. Daher widmen sich Wissenschaftler seit langem der Entwicklung von Alternativen mit Materialien der IV. Gruppe, unter denen Germanium-Zinn-Legierungen (GeSn) als der "Heilige Gral" im Bereich der Halbleiter gelten.

Im Gegensatz zu Materialien der III-V-Gruppe gehören Germanium und Zinn beide zur Gruppe der Elemente der IV. Das Dotieren von Germanium-Gittern mit einem bestimmten Anteil an Zinn kann die Bandstruktur verändern und es in ein Material mit einer »direkten Bandlücke« verwandeln, wodurch eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit erreicht wird; gleichzeitig sind Elemente der IV-Gruppe hochgradig kompatibel mit bestehenden Silizium-Integrierte-Schaltkreis-Prozessen, weshalb sie im Bereich der Optoelektronik große Aufmerksamkeit erregen.

Historisch bestand die Hauptherausforderung bei Germanium-Zinn-Legierungen darin, dass diese beiden Elemente unter konventionellen Bedingungen schwer chemisch reagieren können. Erst kürzlich gelang es einem Team der Universität Edinburgh erfolgreich, eine stabile Germanium-Zinn-Legierung herzustellen, indem sie ein Gemisch aus Germanium und Zinn auf 1200 °C erhitzten und einen Druck von bis zu 10 GPa anwendeten, wodurch es bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck stabil blieb.

Egal ob für elektronische Geräte der nächsten Generation oder für Rechenzentren mit kontinuierlich steigendem Strombedarf: Die Zukunft setzt auf optische Übertragung zur Steigerung der Energieeffizienz; neue Materialien sollen einen schnelleren Betrieb von Geräten und einen geringeren Energieverbrauch ermöglichen.

Verwandte Artikel wurden im Journal of the American Chemical Society (American Chemical Society, ACS) veröffentlicht.

Quelle: TechNews