Ein beneidenswertes Grün

Der kristalline Halbleiter Galliumnitrid (GaN) hat dank seiner einzigartigen optoelektronischen Eigenschaften weit die Tür zur Realisierung grüner Laser aufgestoßen. Ergebnis dessen sind Indium-GaN-Bauelemente (InGaN), die im grünen Spektralbereich (Wellenlängen von ca. 510 bis 570 nm) funktionieren. Trotz aller Fortschritte in jüngster Zeit sind hochwertige InGaN-Leucht- und Laserdioden (LED) dennoch äußerst schwer herzustellen.

Von der EU finanzierte Wissenschaftler nahmen nun die technischen Grundlagen für die Beseitigung der Mängel im Rahmen des Projekts SINOPLE in Angriff. Das Team konzentrierte sich den Einsatz der Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE), um aktive In-reiche InGaN-Schichten auf nahezu versetzungsfreie GaN-Einkristalle abzuscheiden. Eine Voraussetzung für die grünen Emitter, der Einbau großer Mengen von Indium, konnte zuvor nicht durch MBE erreicht werden. Und es gab kein detailliertes Wissen über In-reiche InGaN/GaN-Heterostrukturen.

Die Forscher erzielten mittels MBE ein epitaktisches Wachstum von InGaN mit hohem In-Gehalt (bis zu 20 %) auf verschiedenen Substraten. Die Wissenschaftler verzeichneten gleichermaßen Erfolg bei der Nutzung von InGaN auf Zinkoxid. Im Rahmen der Geräteentwicklung realisierte das Team außerdem eine hochempfindliche Methode zur Charakterisierung der In-Fluktuation auf Basis von Transmissionselektronenmikroskopie mit bisher unerreichter Genauigkeit.

Die Entdecker stellten eine Vielzahl von Lasern für den ultravioletten, blauen und grünen Spektralbereich bereit. Das neuartige MBE-System erleichterte das Wachstum von höherwertigem InGaN und ergab einen Rekord für elektrisch gepumpte Nitrid-MBE-Laserdioden mit einer Emissionswellenlänge von 482 nm.

Überdies stellte das Team Dauerstrich-Laserdioden mit einer Wellenlänge von 450 nm, einer Leistung von 60 mW und einer Lebensdauer von über 5 000 h her. Dieses Resultat zeigt, dass die MBE mit der konventionellen metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (Metal Organic Chemical Vapour Deposition, MOCVD) konkurrieren kann. Das Verfahren gibt außerdem Raum für Flexibilität in der Bearbeitungstemperatur sowie ermöglicht Substrate, die mit MOCVD nicht zugänglich sind.

SINOPLE hat den Stand der Technik in Bezug auf die Fertigung grüner LED-Laser mit höherem Wirkungsgrad, besserer Leistung und längerer Lebensdauer bedeutend vorangebracht. Das Anwendungspotenzial für diese schwer realisierbare kohärente Lichtquelle ist enorm. Seien es Informationsanzeigen, Fernseher oder Biomedizinanwendungen: Hier steht die Welt am Rande großer Veränderungen.