Quantumeffect stimuleert silicium tot lichtgeven

Onderzoekers van de National Research Council van Canada hebben de toepassing van silicium als 'omzetter' in de foto-elektronica een stapje dichterbij gebracht. In de foto-elektronica worden optische componenten geïntegreerd met elektronische componenten, ten einde elektrische signalen te kunnen omzetten in optische signalen en omgekeerd. Deze integratie, die onder andere wordt toegepast in de informatie- en communicatietechniek, wordt echter bemoeilijkt door het feit dat de omzetting in silicium niet erg efficiënt gebeurt en niet goed regelbaar is.

De meeste foto-elektronische componenten worden momenteel gemaakt van verbindingen van elementen uit de groepen III en V van het periodiek systeem, zoals gallium en arseen. Deze halfgeleiders hebben een zodanige elektronenstructuur dat een elektron door absorptie van een foton rechtstreeks vanuit zijn valentieband (waarin het is gebonden aan het atoom) naar de geleidingsband wordt gestoten (zodat het zich vrij tussen de atomen kan bewegen). Deze eigenschap resulteert in een sterke absorptie en emissie van licht en maakt het mogelijk om snelle en compacte optische modulatoren te maken. Bij silicium is die elektronenstructuur echter zodanig dat er nog een extra truc nodig is om de omzetting van licht in elektronen tot stand te brengen. Hoewel dit materiaal in de (micro)elektronica een steeds belangrijker rol speelt, is het voor vele toepassingen in de foto-elektronica nog steeds ongeschikt. Maar Canadese onderzoekers hebben nu laten zien hoe de bruikbaarheid sterk kan worden verbeterd. Zij maakten een soort 'superkristal' van laagjes van afwisselend amorf silicium (3 nanometer dik) en amorf siliciumdioxyde (1 nanometer dik). Dit sandwich-materiaal kan worden gestimuleerd tot het uitzenden van vrij helder licht van een zelf te kiezen golflengte (Nature 378, p. 238).

De onderzoekers tonen aan dat deze licht-emissie een gevolg is van quantummechanische effecten. Die effecten treden op doordat de in het materiaal vrijgemaakte elektronen in de zeer dunne laagjes gevangen blijven. De energie van de elektronen komt dan overeen met die van de staande elektromagnetische golven die in deze gebiedjes passen. Door deze quantumopsluiting, die bij andere halfgeleidermaterialen al routinematig wordt toegepast voor het vergroten van hun efficiency, kan de golflengte van het uitgezonden licht naar believen worden gekozen: door de laagjes silicium de juiste dikte te geven.

    • George Beekman