Silicium is het basismateriaal voor de hele hedendaagse micro-elektronica. Er is dan ook zeer veel kennis over het materiaal en zeer veel kunde om het te bewerken tot al die functies die voor de micro-elektronica gewenst zijn. Door de stormachtige ontwikkelingen in de communicatietechnologie ontstaat een groeiende behoefte aan opto-elektronische apparatuur die lichtsignalen kan opwekken, geleiden en verwerken. Het mooist zou het zijn om lichtbronnen op basis van silicium te maken, omdat die betrekkelijk eenvoudig in de ver ontwikkelde siliciumtechnologie zouden kunnen worden opgenomen. Jammer genoeg zendt silicium weinig efficiënt licht uit.
Een stap voorwaarts werd enige jaren geleden gezet door een groep Britse onderzoekers. Zij ontdekten dat het oppervlak van een plak silicium waaruit chips 'gesneden' worden, poreus wordt bij elektrochemisch etsen. De allerbuitenste laag komt vol met holten en grillig gevormde kolommetjes te zitten, zodat er een sponsachtige structuur ontstaat. Als ze die laag met een laser bestraalden, bleek het oppervlak licht uit te zenden. 'Eilandjes' van silicium in die kolommen bleken daarvoor verantwoordelijk te zijn. Kennelijk zendt silicium wel efficië nt licht uit als het uit heel kleine kristallen bestaat. Nu kunnen moleculen die worden gevormd tijdens de etsbehandeling of fouten in de kristalstructuur ook licht uitzenden, dus de vraag rees welk effect precies verantwoordelijk is voor de lichtemissie.
Kristallen maken
In een gecontroleerd experiment heeft Mark Brongersma dit probleem aangepakt. Hij nam een plakje silicium en liet de buitenkant oxideren. Er ontstaat dan een laagje siliciumdioxide (SiO
2 ofwel glas) op de siliciumplak. Vervolgens schoot hij met één van de ionenversnellers van AMOLF siliciumionen in dat glaslaagje (dit proces heet implantatie) en wel zoveel ionen dat er een oververzadiging met silicium ontstond. Daarna verhitte hij het geheel veertig minuten lang bij een temperatuur van duizend graden. Bij deze temperatuur kan het silicium door het glas gaan bewegen en klontert het samen tot kleine min of meer bolvormige kristallen. Deze kristallen hebben afmetingen van nanometers (ofwel enkele miljardsten van een meter) en worden daarom nanokristallen genoemd. Wanneer ze met laserlicht worden bestraald, zenden ze ook heel efficiënt weer licht uit. Uit eerder onderzoek was al gebleken dat er een verband bestaat tussen de afmeting van het kristal en de kleur van het uitgezonden licht! Kleine kristallen, met een afmeting van net iets meer dan één nanometer (en opgebouwd uit ongeveer 25 atomen) produceren blauw licht. Naarmate de afmeting toeneemt verschuift de golflengte van het uitgezonden licht naar langere golflengten, dus via groen, geel en rood zelfs naar het infrarood. In dat laatste geval meet het kristal zo'n tien nanometer en telt het 26.000 atomen. Als de kristallen nog groter worden, verliezen ze hun vermogen om efficiënt licht uit te zenden. De kristallen worden tot het uitzenden van licht gebracht door ze met een laser te beschijnen. De kleur van dat laserlicht heeft geen invloed op de kleur van het licht dat de kristallen uitzenden. De uitgezonden kleur hangt uitsluitend af van wat natuurkundigen de 'bandgap' noemen, het energieverschil tussen de valentie- en de geleidingselektronen van de siliciumkristallen. De breedte van de bandgap wordt bepaald door de afmeting van het kristal.
Afmeting van de kristallen regelen
Brongersma ontdekte vervolgens dat je de afmetingen van de nanokristallen kunt regelen en dat biedt uitzicht op echte toepassingen. De nanokristallen bestaan uit zuiver silicium, omgeven door siliciumdioxide. De kristallen zijn groter naarmate je in het begin van het proces het glaslaagje dat met siliciumionen is oververzadigd, langer en sterker verhit. Wanneer je nu na afkoeling het laagje met de nanokristallen erin bij duizend graden Celsius verwarmt in een omgeving met zuurstof, dan dringt het zuurstof het glaslaagje in en reageert met de nanokristallen. Waar dat gebeurt ontstaat siliciumdioxide, net als in de omgeving. Met andere woorden, door de oxidatie wordt het nanokristal kleiner. Brongersma ontdekte nu dat hij met die techniek de afmetingen van de nanokristallen goed reproduceerbaar kan controleren. Zo wordt het dus mogelijk om naar wens kristallen te maken die blauw of groen of rood licht uitzenden. Dat is precies wat je voor een kleurendisplay nodig hebt. Alle technieken die ik hier heb gebruikt," zegt Brongersma, zijn bestaande technieken in de IC-technologie. Daar hoeft niets aan te veranderen.
Een belangrijke vraag die nog lag, was in welke mate fouten in de kristalstructuur of verontreinigingen in het materiaal bijdragen aan het uitzenden van licht. Dat ze dat doen, is bekend. Door de beschieting met ionen kan plaatselijk in het kristalrooster van de glaslaag aanzienlijke schade worden aangericht. De ionen kunnen atomen van hun plek in het kristalrooster schieten en bij botsingen met atomen kan de temperatuur plaatselijk tot een paar duizend graden Celsius oplopen, wat voor forse mechanische spanningen in het rooster zorgt. Zo ontstaan fouten. Brongersma onderzocht dit probleem door het glaslaagje na de bewerking waarbij de nanokristallen ontstonden te beschieten met waterstofatomen. Die vullen dan lege plaatsen in het kristalrooster op (dit proces heet passiveren) en maken de fouten ongedaan. Zo hield Brongersma alleen licht over dat door de nanokristallen werd uitgezonden. Het is voor het eerst dat die fouten efficiënt werden uitgeschakeld.
Voorsprong
Er werken momenteel enkele honderden groepen in de wereld aan licht uit silicium, zegt Brongersma, en een stuk of tien groepen zijn ook bezig met ionenimplantatie. "Op AMOLF hebben we een voorsprong genomen omdat wij nu weten hoe we de fouten in het materiaal onschadelijk kunnen maken, zodat we alleen licht uit de nanokristallen krijgen." Het duurt nog wel even eer er daadwerkelijke toepassingen zijn, maar het is nu wel duidelijk in welke richting de vereiste technologie verder ontwikkeld moet worden.
