31.03.2021

Auf dem Weg zum Silizium-Laser

Terahertz-Lichtemission von Quantenstrukturen des n-Typs aus Germanium und Silizium nachgewiesen.

Ein internationales Team aus Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für innovative Mikro­elektronik (IHP) konnte erstmals die Tera­hertz-Lichtemission von Quanten­strukturen des n-Typs aus Germanium und Silizium nachweisen, das am häufigsten verwendete Material elektronischer Geräte. „Dieses Ergebnis ist der erste realistische Ansatz zur Realisierung eines neuartigen Quanten­kaskaden­lasers (QCL) für die Terahertz-Lichtemission, der vollständig hergestellt und mit den Fertigungs­verfahren üblicher mikro­elektronischer Bauelemente zu geringen Kosten erzielt werden kann“, sagt Monica De Seta vom Wissenschafts­ministerium der Universität Roma Tre, die das Konsortium des europäischen Projekts Flash koordiniert. Zum FLASH-Konsortium gehören auch die Zürcher Polytechnische ETH (CH), die Universität Glasgow (UK), das Start-up NextNano München (D) mit Unter­stützung von Forschern der Universität La Sapienza in Rom und der Universität Pisa (Ita).
 

Abb.: Links ist die im Terahertz-Bereich emittierte Lichtintensität zu sehen;...
Abb.: Links ist die im Terahertz-Bereich emittierte Lichtintensität zu sehen; rechts eine Elektronen­mikroskopie der alternierenden Schicht­struktur von Ge- und SiGe-Legierung am Boden der Vorrichtung. Mitte: die atomare Genauigkeit der verschiedenen Schichten. (Bild: Leibniz-IHP)

Terahertz­strahlung weist besondere Merkmale auf, wie die Fähigkeit, durch viele im sichtbaren Bereich undurchsichtige Materialien wie Papier und Stoffe zu dringen, nicht zu ionisieren und lebendige Materie nicht zu beschädigen. Darüber hinaus macht die Tatsache, dass viele biologische Moleküle und chemische Verbindungen komplexer Materialien wie Sprengstoffe und Arzneimittel in diesem Spektralbereich einzigartige Finger­abdrücke besitzen, Teragertz-Licht aus anwendungs­bezogener Sicht äußerst interessant.

„Dieses wichtige Ergebnis konnte durch die Fortschritte, die wir bei der Steuerung der Abscheidung der dem Gerät zugrunde liegenden Quanten­strukturen erzielt haben, erreicht werden. Darüber hinaus konnten wir die Defekte reduzieren, die sich bei so dicken Strukturen auf natürliche Weise bilden. Beide Erfolge sind entscheidend, um die Quanten­kaskaden­bedingungen zu erhalten, die für die Terahertz-Emission in unserem licht­emittierenden Gerät erforderlich sind ", bemerkt Giovanni Capellini, der für die Material­charakterisierung verantwortlich ist und das Projekt Flash am IHP leitet.

Das vom Flash-Konsortium angestrebte QCL-Gerät könnte in großem Umfang einen Wendepunkt beim Einsatz der Terahertz-Technologie in verschiedenen strategischen Bereichen wie der medizinischen Diagnose, Flughafen­scannern und der Qualitäts­überwachung in der industriellen Produktion darstellen. Alle diese Anwendungen sind insbesondere durch das Fehlen kompakter und kostengünstiger Terahertz-Lichtemitter begrenzt. 

Leibniz-IHP / DE
 

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