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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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Visible LEDs and laser diodes are made of group-III-nitride materials grown by epitaxy methods. They already changed our daily life by their ubiquitous use for illumination and projection. High-power, high-brightness GaN-based lasers could replace discharge light bulbs or low-efficiency laser systems also in large-area display, projection, and other lighting systems as well as in free-space or underwater communication. In order to realize GaN-based lasers with high-brightness the conventional edge emitter design which is based on total interface reflection (TIR) waveguides must be substituted by a vertical mode-expanding waveguide structure. Thereby, a wider optical near-field is achieved resulting in narrower far-field angles of the emission profile. Simultaneously, the mode-expanding waveguide must stabilize the fundamental mode emission by discriminating higher order vertical modes through gain and loss engineering. This NSFC-DFG joint project aims to develop high-power, high-brightness (In,Ga,Al)N laser diodes using the novel photonic band crystal (PBC) laser concept. The principal investigators for this project are Prof. André Strittmatter from the Semiconductor epitaxy department of the Otto-von-Guericke University Magdeburg, Germany (OvGU) and Prof. Tong Cunzhu from Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics (CIOMP), Chinese Academy of Sciences (CAS), China. Both PI´s have strong background in PBC laser diodes and complementary expertise in simulation, nitride growth and characterization, and device fabrication.
Fundamental research on optimum optical and electrical design of the PBC structure itself and the laser structure in total is necessary. The successful realization of the design crucially depends on the available material combinations in the group-III nitride system. In particular, a materials study regarding mechanical strain, electrical conductivity, and optical losses for the PBC section must be conducted. HiBGaN combines the accumulated, complementary knowledge of both sides by distributing each task to the specific strength of each group. The German side has strong epitaxial growth ability of lattice-matched nitride materials which is prerequisite for thick, low-loss GaN-based PBC designs. OvGU is therefore responsible for the epitaxial growth and characterization of the laser structure. The Chinese side is responsible for design of PBC structures, fabrication and characterization of PBC lasers. Mutual research visits are negotiated to train students, exchange expert knowledge, and initiate long-term partnership between both institutions.

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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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