Projekte

Halbleiter-Quantenlichtquellen sind Bausteine für inhärent abhörsichere Quantenkommunikationsnetzwerke. Der Kern solcher Lichtquellen besteht aus Quantenpunkten – lichtemittierende Nanostrukturen mit dreidimensional beschränkten, elektronischen Zuständen. Ihre Herstellung erfordert eine präzise Kontrolle über die Dichte, Form und Zusammensetzung der Quantenpunkte weshalb ausschließlich epitaktische Methoden auf einkristallinen Substraten verwendet werden.

Wichtigstes Ziel ist die Entwicklung eines deterministischen Positionierungsansatzes für Quantenpunkte auf der Basis vergrabener Stressoren mit dem sich elektrisch betriebene Quantenlichtquellen im 1.55 Wellenlängenfenster für die Standard-Telekommunikation via Glasfaser demonstrieren lassen.

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Neue Halbleiter-Lasertechnologie wird für light-detction and ranging (LIDAR) Systeme benötigt, die vor allem im Automotive-Bereich Anwendung finden. LIDAR beruht auf der omnidirektionale Ausssendung von Lichtpulsen und die zeitgenaue Erfassung ihrer Rückkehr von reflektierenden Objekten. Die Geschwindigkeit der Erfassung einzelner Objekte ist grundlegend von der Lichtleistung pro Puls abhängig, In konventionellen kantenemittierenden Halbleiter-Laserdioden divergiert stark in der vertikalen Achse der Emission wodurch nicht nur die Lichtleistung sondern auch die Ortsauflösung reduziert wird. Da die Lichtübertragung im frei zugänglichen Raum erfolgt, ist die Augensicherheit ein wichtiges Kriterium für die Auswahl der Laserwellenlänge. Bisherige Systeme arbeiten bei der nicht optimalen Wellenlänge von 905 nm, weil entsprechende Lichtquellen bei 1250 nm Wellenlänge bisher nicht demonstriert worden sind. In diesem Projekt kooperieren wir mit einer chinesischen Forschergruppe um diese Lücke zu schließen. Ein neuartiges Wellenleiterkonzept mit sehr geringer Divergenz im Ausgangsstrahl wird mit der Quantenpunkt-Technologie gekoppelt, die Wellenlänge von 1250 nm auf GaAs-Substraten zu ermöglichen.

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Moderne Halbleiterschichtstrukturen bestehen heutzutage meist aus einer komplexen Vielfachschichtenfolge von kontrolliert abgeschiedenen Epitaxieschichten unterschiedlicher Materialzusammensetzung und Verspannung mit Schichtdicken von einigen Monolagen bis zu einigen Mikrometern. Die strukturelle Untersuchung derartiger Proben im Hinblick auf kristalline Perfektion, chemische Zusammensetzung,Verspannungszustand sowie der Schichtdicken und- rauhigkeiten ist Gegenstand von Röntgenbeugungexperimenten und ohne diese nicht möglich. Das beantragte hochauflösende Röntgendiffraktometer ermöglicht eine schnelle, zerstörungsfreie strukturelle Untersuchung sowohl von perfekt gitterangepaßten epitaktischen Halbleiterschichten und -Schichtsystemen wie auch von gitterfehlangepaßten und hoch texturierten Materialien bis hin zu kristallographischen Pulvern in Form von Dünnschichtsystemen oder kompakten Proben.

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Mit dem Rasterkraft-Mikroskop sollen in-situ elektrochemische Prozesse an Halbleiterschichten untersucht werden. Bei diesen Prozessen treten charakteristische Deformationen der Oberfläche auf, die nur mit einem Rasterkraftmikroskop mit der erforderlichen Auflösung messbar sind. Für die Beobachtung dieser Prozesse ist eine passende elektrochemische Zelle notwendig, in der die entsprechenden chemischen Prozesse ablaufen können und zudem die Oberfläche der Halbleiterstrukturen mit einem Rasterkraft-Mikroskop in schneller Folge abgetastet werden kann.  Zwingend notwendig ist es zum Beispiel, die lateralen Dimensionen der durch elektrochemische Prozesse erzeugten Strukturen auf einer Nanometerskala zu kontrollieren. Diese Untersuchungen dienen weiter der Herstellung neuartiger elektrischer Halbleiterbauelemente mit skalierbarer Stromführung im Nanometerbereich. Zudem lassen sich für die Epitaxie von Nanoobjekten definierte Nukleationspunkte festlegen und somit eine deutlich verbesserteGenauigkeit in der Herstellung dieser Nanomaterialien erreichen.

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Sichtbare LEDs und Laserdioden werden aus Gruppe-III-Nitrid-Materialien hergestellt, die durch Epitaxieverfahren gezüchtet werden. Sie haben unser tägliches Leben bereits durch ihren allgegenwärtigen Einsatz für Beleuchtung und Projektion verändert. Hochleistungslaser auf GaN-Basis könnten Entladungsglühbirnen oder Lasersysteme mit niedrigem Wirkungsgrad auch in großflächigen Anzeige-, Projektions- und anderen Beleuchtungssystemen sowie in der Freiraum- oder Unterwasserkommunikation ersetzen. Um GaN-basierte Laser mit hoher Helligkeit zu realisieren, muss das konventionelle Kantenemitterdesign, das auf TIR-Wellenleitern (Total Interface Reflection) basiert, durch eine vertikale modenerweiternde Wellenleiterstruktur ersetzt werden. Dadurch wird ein breiteres optisches Nahfeld erreicht, was zu engeren Fernfeldwinkeln des Emissionsprofils führt. Gleichzeitig muss der modenerweiternde Wellenleiter die Grundmodenemission stabilisieren, indem er vertikale Moden höherer Ordnung durch Verstärkungs- und Verlusttechnik diskriminiert. [Dieses gemeinsame Projekt von NSFC und DFG zielt darauf ab, Hochleistungs-Laserdioden mit hoher Helligkeit unter Verwendung des neuartigen photonischen Bandkristalls (PBC) zu entwickeln-Laserkonzept. Die Hauptverantwortlichen für dieses Projekt sind Prof. André Strittmatter von der Abteilung Halbleiter-Epitaxie der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OvGU) und Prof. Tong Cunzhu vom Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP), Chinese Academy of Sciences (CAS), China. Beide PIs verfügen über fundierte Kenntnisse auf dem Gebiet der PBC-Laserdioden und ergänzen sich in den Bereichen Simulation, Nitridwachstum und -charakterisierung sowie Bauelementeherstellung.
Grundlagenforschung zum optimalen optischen und elektrischen Design der PBC-Struktur selbst und der Laserstruktur insgesamt ist notwendig. Die erfolgreiche Umsetzung des Designs hängt entscheidend von den verfügbaren Materialkombinationen im Gruppe-III-Nitrid-System ab. Insbesondere muss eine Materialstudie hinsichtlich mechanischer Beanspruchung, elektrischer Leitfähigkeit und optischer Verluste für den PBC-Bereich durchgeführt werden. HiBGaN kombiniert das gesammelte, komplementäre Wissen beider Seiten, indem es die Aufgaben auf die spezifischen Stärken der jeweiligen Gruppe verteilt. Die deutsche Seite verfügt über eine starke Fähigkeit zur epitaktischen Züchtung von gitterangepassten Nitridmaterialien, was eine Voraussetzung für dicke, verlustarme GaN-basierte PBC-Designs ist. Die OvGU ist daher für das epitaktische Wachstum und die Charakterisierung der Laserstruktur verantwortlich. Die chinesische Seite ist für das Design der PBC-Strukturen, die Herstellung und Charakterisierung der PBC-Laser zuständig. Gegenseitige Forschungsbesuche werden vereinbart, um Studenten auszubilden, Expertenwissen auszutauschen und eine langfristige Partnerschaft zwischen beiden Einrichtungen zu initiieren.
Dieser Text wurde mit DeepL übersetzt am 18.12.2025

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Das Projekt zielt darauf ab, den Ansatz der vergrabenen Schichten für die Herstellung von (1) Streifen von InGaAs-basierten Trägerlokalisierungsschichten für neuartige photonische Bauelemente und (2) einzelnen ortskontrollierten langwelligen QDs für die faserbasierte Quantenkommunikation bei Telekommunikationswellenlängen weiterzuentwickeln; außerdem werden (3) Bauelement-Heterostrukturen für andere CRC-Projekte entwickelt und gezüchtet.

[Aktive Wellenleiterstrukturen mit einer hohen Dichte von Stranski-Krastanow-Quantenpunkten (SK QDs) und Sub-Monolayer (SML)-Ablagerungen, die in linearen Arrays angeordnet sind, werden entwickelt. Ziel ist die Herstellung von effizienten kantenemittierenden Bauelementen, LD/SOA auf der Basis von SK QDs und SML-Abscheidungen sowie Wellenleiter-Photodetektoren mit SK QDs unter Verwendung von Einzel- und Mehrfachschichten mit stressorinduzierter Streifenbildung - angepasst an den optischen Modus. Der aktive Bereich dieser Bauelemente wird daher unter Verwendung einer selbstausrichtenden Ortskontrolle entweder von Quantenpunkten oder SML-Abscheidungen hergestellt.

Die Vorteile des Ansatzes der vergrabenen Belastung für Steghohlleiter sind:

[Das aktive low-Eg-Medium ist vertikal und lateral in eine high-Eg-Matrix eingebettet[Die Strukturen werden in einem selbstausrichtenden Bottom-up-Verfahren hergestellt, ohne Nachbearbeitung
• Geringe Absorptionsverluste, laterale Indexführung, geringes Rauschen (bei Detektoranwendungen)

[Einzelne ortskontrollierte langwellige InGaAs-QDs werden für Einzelphotonenquellen entwickelt, die bei Telekommunikationswellenlängen arbeiten. Der Ansatz wird das erfolgreiche CRC-Phase-2-Konzept der vergrabenen Stressoren und zusätzliche Wege für die Rotverschiebung der Emission wie QD-Reifung und SRL-Überwachsen anwenden.
Die Epitaxie für energieeffiziente VCSELs mit hoher Bandbreite auf der Grundlage von SK-QDs, QWs und SML-Strukturen, die im Projekt C1 entwickelt wurden, wird ebenfalls durchgeführt werden. Die Bauelemente werden für den Betrieb bei einer Emissionswellenlänge von 980 bis 1240 nm ausgelegt, die für Anwendungen im Nahbereich und für die Silizium-Photonik erforderlich ist. Darüber hinaus wird A2 die Epitaxie von Heterostrukturen mit selbstorganisierten InGaAs-QDs durchführen, die im Spektralbereich von 900-980 nm für deterministische Ein-Photonen-Bauelemente und integrierte Wellenleiterstrukturen in C12 emittieren.
Dieser Text wurde mit DeepL übersetzt

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