Neue Bauelemente durch photonische Kristalle

Forschung
Entwicklung
Neue Bauelemente durch
photonische Kristalle
Lange Zeit galten photonische Kristalle
als exotische Idee der Grundlagenforschung.
Jetzt rückt die Möglichkeit,
mit ihnen schwellenlos angesteuerte
Laser oder Monomode-LEDs
herzustellen, in greifbare Nähe.
V o n R i c h a r d S i e t m a n n
Relative Intensität
Relative Intensität
1
0,5
0
1
Bild 1: Die Spektralverteilung der Emission
einer LED (oben) ist bei gleicher Mittenwellenlänge
deutlich breiter als das Emissionsspektrum
einer Laserdiode (unten). In der
Abbildung verteilt sich die Energie im wesentlichen
auf fünf eng benachbarte Moden. Bettet
man die LED in einen photonischen Kristall
ein, so gleichen sich die Spektren an
76
100 nm
1200 1300 1400
Wellenlänge [nm]
0
1265 1270
1275 1280 1285
Wellenlänge [nm]
©
Quelle: Richard Sietmann
Elektronik und Optoelektronik beruhen
auf der Tatsache, daß in Halbleitermaterialien
die Beweglichkeit von Elektronen
im Kristall zwar gehemmt, jedoch nicht
gänzlich unterbunden ist: Zwar trennt eine
Bandlücke „verbotener“ Energiezustände die
im Valenzband gebundenen Elektronen von
den freien Elektronen in den höheren Energiezuständen
des Leitungsbandes, doch gänzlich
unüberwindlich ist sie nicht. Unter Energiezufuhr,
zum Beispiel durch Erwärmen, können
Elektronen vom Valenz- in das Leitungsband
befördert werden und der elektrische Widerstand
sinkt. In umgekehrter Richtung, bei der
Rekombination eines Leitungsbandelektrons
mit einem „Loch“ im Valenzband, wird Energie
frei.
Die elektronische Bandlücke ist die wesentliche
Voraussetzung für die optoelektronischen
Eigenschaften von Halbleitern, denn die zum
Überspringen nötige Energie kann Lichtquanten
(Photonen) zugeführt oder von ihnen weggetragen
werden. Photodioden beispielsweise
absorbieren ein Photon, wenn ein Elektron
vom Valenz- ins Leitungsband wechselt und
dort zum Stromfluß beiträgt. Bei Lumineszenzdioden
(LEDs) und Laserdioden (LDs) ist es
umgekehrt; in ihnen setzen spontan vom Leitungs-
ins Valenzband springende Elektronen
Photonen frei und verursachen so den Leuchteffekt.
Bei den LDs kommt noch hinzu, daß
dieser Übergang von einer selbstverstärkenden
Rückkopplung stimuliert wird, was zu einer
spektral sehr reinen und überdies kohärenten
Lichtemission führt.
Die Rückkopplung wird durch einen optischen
Resonator erreicht. Die Stirnflächen
des aktiven Kristalls stellen natürliche Spiegelflächen
dar, zwischen denen die Photonen
beziehungsweise Lichtwellen hin- und hergeworfen
werden und das aktive Medium mehrfach
durchlaufen. Aufgrund der geometrischen
Abmessungen können sich in dem Resonator
nur bestimmte Eigenschwingungen,
sogenannte Moden, als stehende Wellen ausbilden.
Zur stimulierten Emission tragen allerdings
nur diejenigen Moden bei, die in den
Frequenzbereich des Laser-Übergangs des aktiven
Mediums fallen. So entsteht die für Laserstrahlung
typische und extrem schmale Resonanzkurve
der Intensität über der Frequenz
(Bild 1).
Dennoch bleibt die Lumineszenz, die spontane
Rekombination von Elektron/Loch-Paaren,
auch in Laserdioden ein konkurrierender
Vorgang. Nur ein kleiner Teil der nach wie
vor auftretenden spontanen Emission koppelt
mit den vom Resonator vorgegebenen
Schwingungszuständen des elektromagnetischen
Feldes und regt die Laseroszillationen
an. Der Rest verteilt sich auf andere, freie
Schwingungsformen und wird seitlich abgestrahlt.
Dieser Mechanismus ist der Grund,
daß die stimulierte Emission erst ab einem bestimmten
Schwellwert des Pumpstromes eintritt.
Der muß so stark sein, daß er die Verluste
der spontanen Emission in die freien
Raummoden überwindet. In der Kennlinie
äußert sich dieser Verlust darin, daß die Ausgangsleistung
erst oberhalb eines gewissen
Schwellstromes plötzlich stark ansteigt (Bild
2). Das heißt, bislang ist stets ein Mindeststromfluß
– typischerweise 30 Milliampére –
durch die Laserdiode erforderlich, bevor der
Lasereffekt einsetzt. Dies ist letztlich elektrische
Leistung, die nicht für die Übertragung
zur Verfügung steht und die somit den Wirkungsgrad
der optoelektronischen Wandlung
herabsetzt.
Die photonische
Bandlücke
In einem idealen Resonator treten alle emittierten
Photonen nur in einer einzigen Schwingungsmode
auf. Doch in der Festkörperelektronik
galt die spontane Emission von Licht stets
als natürliche und nicht zu beeinflussende Eigenschaft
optischer Halbleiter. Im Jahre 1987
zeigte der damals bei Bellcore beschäftigte Physiker
Eli Yablonovitch erstmals einen Weg auf,
wie sie sich möglicherweise unterbinden läßt.
Man weiß, daß die spontanen Übergänge mit
dem Strahlungsfeld verkoppelt sind, das die aktive
Zone unmittelbar umgibt. Gelingt es, diese
Umgebung so zu verändern, daß sie die Aus-
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breitung der Lichtwelle verhindert, dann wird
damit auch der Elektronenübergang blockiert
– ähnlich wie eine annullierte Zugverbindung
verhindert, daß der Reisende von A nach B gelangt.
Die Idee, analog zur elektronischen eine
photonische Bandlücke – also verbotene oder
unzugängliche Energiezustände für Photonen
in Halbleitern – herzustellen, ist nicht leicht zu
realisieren. Die elektromagnetischen Wellen
optische Leistung [mW]
©
20
10
0
0
schwellenloser
Laser
konventionelle
Laserdiode
Laserschwelle
Bild 2: Kennlinien von LED, konventioneller
Laserdiode und schwellenlosem Laser
LED
10 20 30 40 50
Laserdiodenstrom [mW]
Bild 3: REM-Aufnahme eines mit mikromechanischen
Strukturierungstechniken hergestellten
photonischen Kristalls
durchlaufen dielektrische Materialien normalerweise
fast ungehindert, nur an Stellen mit
Brechzahlunterschieden kommt es zu Reflektionen.
Um einen photonischen Kristall mit einer
optischen Bandlücke zu verwirklichen,
müssen regelmäßige, dreidimensionale periodische
Gitterstrukturen aufgebaut werden,
die aus Bereichen mit stark wechselndem Brechungsindex
bestehen. An diesen werden die
Lichtwellen ähnlich gestreut, wie die Materiewellen
der Elektronen an den Atomgittern des
Halbleiterkristalls.
Den prinzipiellen Nachweis der Existenz
photonischer Bandlücken haben Yablonovitch
und sein Kollege Axel Scherer Anfang
der neunziger Jahre bei Bellcore geführt. Sie
bohrten ein Gitter von Löchern in acht Millimeter
Abstand aus drei sorgfältig berechneten
Raumrichtungen in ein Dielektrikum. Die
Löcher wirkten als Streuzentren für die Photonenwellen,
so daß infolge destruktiver Interferenz
bei Frequenzen zwischen 13 und
16 GHz keine Wellenausbreitung mehr stattfinden
konnte. Für diesen Mikrowellenbereich
war das Material künstlich intransparent
geworden.
Die zunächst exotisch erscheinende Idee
ist seither von einigen anderen Festkörperphysikern
aufgegriffen worden. Unlängst berichteten
Shawn Lin und Jim Fleming vom
Sandia National Laboratory in New Mexico,
einer Großforschungseinrichtung des amerikanischen
Energieministeriums, über die erfolgreiche
Herstellung eines mit mikromechanischen
Verfahren hergestellten, dreidimensionalen
photonischen Kristalls, dessen Bandlücke
bei 10µm im fernen Infrarot liegt. Sie
hatten dazu einen Silizium-Wafer mit Siliziumdioxyd
beschichtet, darin gleichmäßig
Gräben geritzt und diese mit Polysilizium aufgefüllt.
Die Oberfläche wurde dann gleichmäßig
eben geschliffen, erneut mit SiO 2 bedeckt
und darin ebenfalls regelmäßige Polysiliziumstreifen
strukturiert, allerdings rechtwinklig
zu dem in der darunterliegenden
Schicht. Nachdem durch Wiederholung dieser
Prozeßschritte mehrere solcher kreuzweisen
Doppellagen hergestellt waren, wurde
das SiO 2 als Stützmaterial mit Fluorwasser-
Bild: Sandia National Laboratory
Betreibt man eine Diode aus einem geeigneten
Halbleitermaterial wie Galliumarsenid
(GaAs) oder Indiumphosphid (InP) in
Durchlaßrichtung, so injiziert der elektrische
Strom Elektronen in das p-dotierte
und Löcher in das n-dotierte Material. In
der unmittelbaren Umgebung des p-n-
Übergangs – der aktiven Zone von 10 bis
100 nm Dicke – entsteht im p-Gebiet ein
Überschuß an Elektronen und Löchern im
n-Gebiet. Fällt ein Elektron aus dem Leitungsband
in das Valenzband zurück
(Rekombination), so wird die freiwerdende
Energie in der Form eines Lichtquants
(Photon) abgestrahlt.
Die strahlende Rekombination der
Ladungsträger kann auf zwei unterschiedliche
Weisen stattfinden: spontan oder stimuliert.
Bei der spontanen Emission
erfolgt die Energieabgabe eines Elektron/Loch-Paares
völlig unkorreliert mit
anderen Emissionsprozessen. Die stimulierte
Emission hängt dagegen vom elektrischen
Feld der Lichtwelle am Ort der
Elektron/Loch-Paare ab und ist stark korreliert:
Die stimuliert emittierten Photonen
müssen sich in Frequenz, Phase und Richtung
dem äußeren Strahlungsfeld anpassen.
HINTERGRUND
Lichtemission von Halbleitern
LED
Die Lichtemission von Lumineszenzdioden
beruht ausschließlich auf den spontanen
Rekombinationen von Elektronen im Leitungsband
und Löchern im Valenzband.
Der spektrale Bereich der Emission hängt
von der Art des Halbleiters ab und wird
von der Energiedifferenz zwischen dem
Leitungs- und Valenzband bestimmt. Der
Bandabstand, beziehungsweise die Energielücke,
entspricht der Mindestenergie,
die benötigt wird, um ein im Valenzband
gebundenes Elektron aus seiner Bindung
zu befreien und als frei bewegliches Elektron
zum Ladungstransport im Leitungsband
beitragen zu lassen.
Obwohl die „Umwandlung“ von Elektronen
in Photonen mit einem internen Wirkungsgrad
von nahezu 100 Prozent erfolgt, läßt
sich aufgrund der Schwierigkeit, das Licht
zu extrahieren, davon extern nur sehr
wenig nutzen. Von dem in alle Raumrichtungen
abgestrahlten Licht entfällt nur ein
sehr kleiner Anteil von etwa zwei Prozent
auf den Austrittskegel. Der Rest bleibt im
Innern des Kristalls gefangen, wird dort
hin- und herreflektiert und führt zu hohen
Wärmeverlusten. In konventionellen LEDs
versucht man den Aufbau so zu gestalten,
daß ein möglichst großer Teil des Lichtes
in den Austrittskegel geworfen wird.
LD
Unter normalen Umständen ist die Rate
der spontanen Emission stets größer als
die der stimulierten; daran ändert auch
ein noch so großer Pumpstrom nichts.
Laserstrahlung, die Dominanz der stimulierten
Emission, entsteht erst im Zusammenwirken
mit einem optischen Resonator,
der durch Rückkopplung die Intensität
des Strahlungsfeldes in der aktiven Zone
erhöht. Der optische Resonator wird im
allgemeinen durch zwei reflektierende
Spiegel um das aktive Medium herum
gebildet, zwischen denen die Photonen
beziehungsweise Lichtwellen hin- und hergeworfen
werden. Bei den Halbleiterlasern
bilden die Stirnflächen des aktiven Kristalls
von selbst natürliche Spiegel, die die
Photonen reflektieren, so daß sie die aktive
Zone mehrfach durchlaufen und den
kollektiven Übergang vom Leitungs- ins
Valenzband induzieren. Dazu muß die
Anregung durch das Strahlungsfeld allerdings
groß genug sein, so daß der Lasereffekt
erst ab einem Schwellwert des
Pumpstromes durch die Diode eintritt.
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Forschung
Entwicklung
p-Kontakt
+
Quelle: MIT
©
aktive Zone
p-type
n-type
n-Kontakt
Bild 4: Schematische Darstellung einer in
einen photonischen Kristall eingebetteten
LED. Physiker am MIT arbeiten an der Realisierung
dieses photonischen Bauelements
stoffsäure herausgelöst, so daß auf eine Kreuzgitterstruktur
aus Polysilizium mit regelmäßigen
Hohlräumen im Abstand von 4,8µm entstand
(Bild 3).
Gelingt es, denselben Effekt auch bei optischen
Wellenlängen zu erzielen und in den
photonischen Kristall obendrein den p-n-
Übergang einer LED einzubetten, so läßt sich
– wie die im vergangenen Jahr veröffentlichten
theoretischen Berechnungen von Shanhui
Fan am Massachusetts Institute of Technology
(MIT) zeigen – von vornherein die spontane
Emission des Lichtes in die „falschen“
Richtungen und Schwingungszustände unterdrücken.
In dem Modell, daß den Berechnungen zugrundelag,
ist die p-Schicht einer scheibenförmigen
GaAs-LED mit zweidimensional angeordneten
Löchern perforiert (Bild 4). Bei geeignet
bemessenem Verhältnis von Lochdurchmesser
zum Lochabstand entsteht dann
eine photonische Bandlücke, die die unerwünschte
Ausbreitung des Lichts in der Ebene
der Scheibe verhindert und nur die spontane
Emission in die Richtung der Normalen
zuläßt.
p
n
–
„Bisher haben wir die spontane Emission immer
als fundamentale Naturkonstante angesehen,
jetzt können wir sie ingenieurmäßig angehen“,
ist Yablonovitch überzeugt. „Ich persönlich
glaube, daß dabei ein neuer Typ von Lichtquelle
herauskommen wird, den man als
Single-Mode-LED bezeichnen könnte: nicht
mehr ganz LED, noch nicht ganz Laser – irgendetwas
dazwischen“. Doch noch ist es
nicht so weit. Was die Herstellung photonischer
Kristalle so schwierig macht, sind die
Dimensionen. Die gesamten Abmessungen eines
solchen Bauelementes müssen in der
Größenordnung der halben Lichtwellenlänge
liegen – 1.500 nm bei dem für die Glasfaserübertragung
interessanten Infrarotbereich.
Das erfordert die zwei- und dreidimensionale
Strukturierung mit Röntgen- oder Elektronenstrahl-Lithografie
im Sub-µ–Bereich. Anders
als die planaren Techniken in der Mikroelektronik
ist sie sehr viel schwieriger zu beherrschen
und muß wegen der hohen Brechzahlunterschiede
auch noch andere Materialien in
Betracht ziehen.
Experimentell sind die MIT-Forscher dem
Ziel dadurch schon recht nahe gekommen, daß
sie zunächst auf den p-n-Übergang verzichteten
und das Problem auf die Herstellung eines
passiven Bauelementes mit einer eindimensionalen
Periodizität reduzierten. Die Anordnung
bestand aus Löchern im Abstand von 220 nm.
Die regelmäßige Struktur wurde dadurch gestört,
daß der Abstand in der Mitte 420 nm betrug.
Daran konnten sie die Filterung von Wellenlängen
bei 1,5µm nachweisen. „Man
schickt einen Lichtpuls mit einem Gemisch
von Frequenzen hinein“, erläutert der Leiter
der MIT-Arbeitsgruppe, John Joannopoulos,
„und wenn er auf die Anordnung trifft, wird
nur die von der Störstelle festgelegte Frequenz
hindurchgelassen“.
Selbstorganisierende
Prozesse
Auf einem völlig anderen Weg als mit den
Standardverfahren der Optoelektronik – Epitaxie,
Lithografie und Ätzprozesse – sind jetzt Judith
Wijnhoven und Willem Vos von der Universität
Amsterdam zu vergleichbaren mikroporösen
Strukturen gelangt. Mit Hilfe einer
Kombination von naßchemischen Reaktionen
und Sinterung gelang es ihnen, photonische
Kristalle herzustellen und an ihnen die Bandlücke
nachzuweisen. Sie verwendeten poröses
Bild 5: REM-Aufnahme eines p hotonischen
Kristalls mit Lufteinschlüssen in TiO 2 , hergestellt
durch selbstorganisierende Sinterprozesse
und naßchemische Reaktionen
Bild: J. Wijnhofen, W. Vos / Science
Die elektronische Bandlücke ist die Mindestenergie,
die nötig ist, um das äußerste
(Valenz-) Elektron der Ionen in einem
Kristall in den höheren Energiezustand
des Leitungsbandes zu ‘heben’, wo es
sich frei bewegen und zum Stromtransport
beitragen kann. Die Entstehung der
elektronischen Bandstruktur in Festkörperkristallen
ist ein quantenmechanischer
Effekt, der darauf beruht, daß Elektronen
sowohl Teilchen- als auch
Welleneigenschaften haben. Leitungsund
Valenzband sowie die sie trennende
Bandlücke resultieren aus der Wechselwirkung
der Elektronenwellen mit dem
Ionengitter des Kristalls, die als Streuzentren
zur destruktiven Interferenz
bestimmter Elektronenwellenlängen
führen; die zugehörigen Energiewerte sind
für die Elektronen „verboten“.
Ein ähnlicher Effekt läßt sich für elektromagnetische
Wellen (Photonen) mit
HINTERGRUND
Elektronische und photonische Bandlücken
künstlichen Strukturen hervorrufen, die
aus Dielektrika (Nichtmetallen) mit periodisch
wechselndem Brechungsindex aufgebaut
sind. Bei geeignet gewählten
Abmessungen entsteht in solchen photonischen
Kristallen eine Bandlücke für die
elektromagnetische Wellen: Es gibt spezielle
Frequenz- beziehungsweise Wellenlängenbereiche,
innerhalb derer sie sich
nicht in dem Dielektrikum ausbreiten
können. Der Kristall wird für diese Wellenlängen
intransparent.
Durch die Einbettung von Lumineszenzoder
Laserdioden in photonische Kristalle
– also durch die Kopplung der elektronischen
Bandlücke des lichtemittierenden
Halbleiters mit der photonischen Bandlücke
des umgebenden dielektrischen
Materials – hoffen Wissenschaftler, das
Emissionsverhalten der optoelektonischen
Lichtquellen maßschneidern zu
können.
78
Opal als Ausgangsmaterial, daß als Matrix
diente. Dessen regelmäßige Hohlräume füllten
sie im zweiten Schritt mit Titandioxyd, im dritten
Verfahrensschritt entfernten sie das Stützmaterial.
Der photonische Kristall besteht so
aus gleichmäßig angeordneten, kugelförmigen
Lufteinschlüssen in einer Ti2O 2 -Matrix. Im Labor
wurden auf diese Weise dreidimensionale
Kristallproben mit Porendurchmessern von
2 µm bis hinunter zu 0,24 µm hergestellt (Bild
5). Solche „selbstorganisierenden“ Prozesse
stellen möglicherweise eine kostengünstigere
Lösung zur Fabrikation dar; ob sich das Verfahren
allerdings auch auf industrielle Herstellungsbedingungen
übertragen läßt, ist derzeit
noch völlig offen.
Zumal die regelmäßige Periodizität nicht alles
ist: Wiederum analog zu Halbleitern, entfalten
photonische Kristalle ihren größten Nutzen,
wenn sie gezielt mit Störstellen oder Defekten
versehen (dotiert) werden können, die
dann innerhalb des unterdrückten Wellenlängenbereichs
ein Fenster für die Ausbreitung einer
bestimmte Wellenlänge öffnen. Wenn beispielsweise
die Periodizität des Kristalls unter-
26
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ochen wird, indem man eines der Löcher entfernt, verändert das die
Randbedingungen der Wellenausbreitung so, daß in der Umgebung des
Defektes spezifische Wellenformen existieren können, während alle anderen
blockiert werden. Der photonische Kristall wirkt dann als hochselektives
Filter. Mehr noch: Er ist zugleich ein Wellenleiter. Ein linienförmiger
Defekt zwingt die Welle (das Photon), in ihrer Bahn der Linienführung
des Defektes zu folgen – wie ein perfekter Spiegel selbst um 90°-
Kanten herum.
Neben dem Einfluß auf die spontane Emission ist allein diese Eigenschaft
schon von außerordentlichem Interesse für die Optoelektronik.
Denn bislang wird die Größe der optoelektronisch integrierten Schaltungen
vor allem durch die Lichtwellenleiter auf den Chips bestimmt, welche
die einzelnen Elemente wie Dioden, Laser oder Polarisatoren verbinden
und die bei zu starker Krümmung starken Streuverlusten unterliegen.
Gelingt es, Lichtführung und andere passive optische Elemente
auf den Chips mit Hilfe photonischer Kristalle zu realisieren, wären sehr
viel höhere Integrationsdichten zu erzielen.
Im September meldete das japanische Unternehmen NEC, daß es in einer
gemeinsamen Arbeitsgruppe mit Optoelektronikern des Telekommunikationsriesen
NTT unter der Leitung von Shojiro Kawakami von der
Tohuku-Universität bereits gelungen ist, Prismen einer Größe von nur
noch 10 bis 100µm herzustellen, die wie ein konventionelles Prisma die
verschiedenen Wellenlängenanteile eines „weißen“ optischen Eingangssignals
aufspalten und auf kleinstem Raum voneinander trennen können
– nur sehr viel effektiver: Experimentell ließ sich bei einer Veränderung
der Wellenlänge um ein Prozent von 1.000 auf 990 nm eine Richtungsänderung
um 60 Prozent nachweisen. Dies ist etwa das hundertfache
dessen, was bei gewöhnlichen Prismen aus Glas oder Silizium zu beobachten
ist (Bild 6).
Die Prismen selbst bestehen aus sechseckig-wabenförmigen Strukturen
mit einer räumlichen Periodizität von 0,3 bis 0,4 µm, die aus alternierenden
Schichten von SiO 2 mit niedrigem Brechungsindex und Si mit
hohem Brechungsindex aufgebaut wurden. Sie eröffnen erstmals die
Möglichkeit zur Large-Scale-Integration (LSI) von Add/Drop-Multiplexern
in der WDM-Technik.
Herkömmliches Prisma
Photonischer Kristall
Quelle: NEC
©
Bild 6: Das von NEC hergestellte „Super-Prisma“ aus einem photonischen
Kristall erzeugt eine hundertfach stärkere wellenlängenabhängige
Richtungsstreuung als ein konventionelles Prisma aus Glas oder
Silizium. Diese Eigenschaft macht es sehr interessant für Add/Drop-
Multiplexer in WDM-Übertragungssystemen
„Um zu anderen Wellenlängen zu gelangen, müssen wir lediglich die
Periode des Kristalls anpassen – bei 1.550 nm beispielsweise müßte die
Kristallperiode um den Faktor 1,55 größer sein als in unserem Experiment,
statt 0,3µm also 0,465µ“, erläutert Akihisa Tomita vom Forschungsinstitut
für Optoelektronik- und Hochfrequenzkomponenten der
NEC in Tsukuba. Was allerdings de Herstellung kompletter integrierter
Bauelemente betrifft, gibt er sich keinen Illusionen hin: „Wir haben bisher
nur den Effekt demonstriert. Wir hoffen, daß wir die ersten Prototypen
von funktionsfähigen integrierten Schaltungen vielleicht in fünf Jahren
herstellen können“.
(WP)
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