Neue Bauelemente durch photonische Kristalle

Forschung
Entwicklung
Neue Bauelemente durch
photonische Kristalle
V o n
R i c h a r d
Quelle: Richard Sietmann
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.
S i e t m a n n
E
0,5
100 nm
0
1200
1300
Wellenlänge [nm]
1400
1
Relative Intensität
lektronik 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 herge-
Relative Intensität
1
0
1265
1270
1275
Wellenlänge [nm]
1280
1285
©
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
worfen 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 aller-
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dings 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.
쑺 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 Aus26
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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
schwellenloser
Laser
Laserschwelle
LED
0
©
konventionelle
Laserdiode
10
0
10
20
30
Laserdiodenstrom [mW]
40
50
Bild 2: Kennlinien von LED, konventioneller
Laserdiode und schwellenlosem Laser
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 peri-
odische 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 mikromecha-
Entwicklung
Bild: Sandia National Laboratory
Forschung
Bild 3: REM-Aufnahme eines mit mikromechanischen Strukturierungstechniken hergestellten photonischen Kristalls
nischen 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 SiO2 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 SiO2 als Stützmaterial mit Fluorwasser-
HINTERGRUND
Lichtemission von Halbleitern
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-nÜbergangs – 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.
26
98
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,
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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.
Entwicklung
Forschung
p-Kontakt
aktive Zone
©
p-type
p
n-type
n
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-nÜbergang 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.
„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
HINTERGRUND
Elektronische und photonische Bandlücken
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
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.
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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“.
쑺 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: J. Wijnhofen, W. Vos / Science
Quelle: MIT
+
Bild 5: REM-Aufnahme eines p hotonischen
Kristalls mit Lufteinschlüssen in TiO2, hergestellt durch selbstorganisierende Sinterprozesse und naßchemische Reaktionen
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 Ti2O2-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 unter26
98
Herkömmliches Prisma
Quelle: NEC
brochen 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 SiO2 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.
Photonischer Kristall
©
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/DropMultiplexer 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)
26
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