Forschung

Im Rahmen des Verbundprojektes "FaZiT" entwickelt das FBH maßgeschneiderte gepulste Diodenlasersysteme für Pulsdauern im Zeitbereich von 100 ns bis zu 500 ps, im Bereich um 100 ps und unterhalb von 10 ps. Mit ihren hohen optischen Ausgangsleistungen von einigen zehn Watt und ihrer stabilisierten Emissionswellenlänge sind sie als Seedlaser, etwa in gepulsten Faserlasersystemen, ideal geeignet. Dadurch lassen sich Spitzenleistungen bis in den kW-Bereich erzielen. Gepulste Laserstrahlquellen besitzen zudem ein großes Marktpotenzial in der Materialbearbeitung, Sensorik und Analytik (Floureszenzspektroskopie).

Die im Projekt entwickelten Laserdioden werden als Kantenemitter im Grundmodebetrieb mit integrierter Wellenlängenstabilisierung (Bragg-Gitter) und geringer Divergenz für eine effiziente Kopplung in Einmodenfasern ausgeführt. Um die Impulsenergie zu erhöhen, werden Verstärker ebenfalls auf Basis von Kantenemittern realisiert. Laserdioden und Verstärker werden zusammen mit Mikrolinsen zur optischen Strahlformung  auf einer Mikrobank mit einer Grundfläche von 4 cm x 5 cm hybrid integriert – entweder mit elektrischen Ansteuerschaltungen (Abb. 1) oder elektrischen Anschlussleitungen (Abb. 2). Die elektrischen Ansteuerschaltungen basieren auf GaN-Leistungstransistoren, die ebenfalls am FBH entwickelt wurden.

Die Montage der Komponenten erfordert eine Präzision im sub-Mikrometerbereich: Zunächst werden die Mehrsektions-Laserdiode (2 mm) und der Trapez-Verstärker (4 mm) jeweils auf vergoldete Blättchen aus Aluminiumnitrid gelötet. Diese werden anschließend gemeinsam auf ein größeres Blättchen aus dem gleichen Material gelötet. Die Strahlung der Laserdiode wird durch eine 4,4 mm lange Gradientenindex-Linse in den Verstärker gekoppelt. Damit keine Strahlung verloren geht, muss der Abstand von Laserdiode und Verstärker auf 4 µm genau eingehalten werden. Nach Anbringen der elektrischen Anschlüsse wird die Koppel-Linse im aktiven Betrieb der Laserdiode und des Verstärkers mit einer Genauigkeit von kleiner als 0,5 µm in allen drei Raumrichtungen justiert und geklebt. Die zusätzlichen Mikrolinsen am Ausgang des Verstärkers transformieren die vom Verstärker ausgehende divergente Strahlung zu einem parallelen Strahlenbündel.

Abb. 3a und 3b zeigen den zeitlichen Verlauf der vom Diodenlasersystem emittierten Lichtimpulse und das dazugehörige optische Spektrum bei einem gütegeschalteten Betrieb der Laserdiode. Dabei wird ein Licht absorbierendes Segment durch Injektion kurzer Stromimpulse periodisch transparent geschaltet. Die volle Halbwertsbreite der Lichtimpulse beträgt 80 ps und die Spitzenleistung 35 W. Das optische Spektrum zeigt eine spektrale Linie bei 1067 nm. Die spektrale Intensität des durch die spontane Emission erzeugten Untergrundes ist um den Faktor 10.000 (40 dB) kleiner als die der spektralen Linie. Die Emissionswellenlänge konnte durch ein Bragg-Gitter, das in die Mehrsektions-Laserdiode integriert wurde, erfolgreich stabilisiert werden. Damit ist es gelungen, durch Präzisionsmontage opto-elektronischer, optischer und elektrischer Bauelemente maßgeschneiderte, miniaturisierte, gepulste Diodenlasersysteme für die gewünschten Anwendungen zu entwickeln.

Publikation:

A. Liero, A. Klehr, S. Schwertfeger, T. Hoffmann, W. Heinrich, "Laser Driver Switching 20 A with 2 ns Pulse Width Using GaN", Vortrag International Microwave Symposium 2010, IEEE MTT-S Int.Microw.Symp.Dig., Anaheim, CA, May 25-27, pp. 1110-1113 (2010).

Laserdioden, die bei einer Wellenlänge von 405 nm emittieren, sind vor allem dank ihres breiten Einsatzes in BluRay-Playern seit geraumer Zeit kommerziell verfügbar. Sonstige Laser mit einer Emission im violetten oder blauen Spektralbereich werden bislang von Herstellern entweder gar nicht oder nur bei wenigen ausgesuchten Wellenlängen wie z.B. 450 nm angeboten. Das Interesse der Nutzer an zahlreichen weiteren Wellenlängen ist jedoch groß, etwa für Anwendungen in der Atomspektroskopie. Das FBH arbeitet deshalb zusammen mit der Technischen Universität Berlin und eagleyard Photonics an der Realisierung wellenlängenstabilisierter Laserdioden auf der Basis von GaN mit einer Emission bei 436 nm. Damit will das FBH sein Spektrum an GaN-Laserdioden erweitern, das bislang auf Wellenlängen unter 420 nm beschränkt war [1].

Die Erhöhung der Emissionswellenlänge stellte vor allem Herausforderungen an das epitaktische Wachstum der Wafer. So musste beispielsweise die Wellenleiterstruktur aus AlGaN/GaN angepasst und die aktive Zone in Form von InGaN-Quantenfilmen sowohl im Schichtdesign als auch in den Epitaxiebedingungen komplett umgestellt werden. Nur so konnten eine ausreichend geringe Transparenzschwelle [2] und eine zufriedenstellende Homogenität der Wafer [3] erreicht werden.

Nachdem diese Bauelementedetails erfolgreich optimiert wurden, ist es dem FBH kürzlich gelungen, Laserdioden mit Emissionswellenlängen im blauen Spektralbereich > 430 nm zu realisieren. Abb. 1 zeigt die Kennlinie einer entsprechenden Breitstreifenlaserdiode im gepulsten Betrieb. Das FBH verfügt nunmehr über die Technologie, Laserdioden auf der Basis von GaN im Wellenlängenbereich von 397 bis 436 nm herzustellen (vgl. Abb. 2). Gegenwärtig wird an Rippenwellenleiter-Laserstrukturen gearbeitet, die einen kontinuierlichen Betrieb der Laserdioden in diesem Spektralbereich ermöglichen sollen.

Publikationen:

[1] Van Look et al., IEEE Phot. Technol. Lett. 22, 416 (2010)

[2] V. Hoffmann et al., J. Cryst. Growth 312, 3428 (2010)

[3] V. Hoffmann et al., J. Cryst. Growth, doi:10.1016/j.jcrysgro.2010.09.048 (2010)

Die Konzeption und die Qualität der AlGaN/GaN-Epitaxieschichten in Hochleistungs-Mikrowellenbauelementen beeinflusst maßgeblich deren Eigenschaften und Zuverlässigkeit. Um den weltweiten Stand der GaN-Epitaxie auf neutraler Basis zu beurteilen, vergab die Europäische Weltraumbehörde ESA ein Projekt, in dem epitaxierte Wafer von verschiedenen Herstellern weltweit mittels eines reproduzierbaren und stabilen GaN-HFET-Bauelementprozesses miteinander verglichen und evaluiert werden sollten. Das FBH wurde von der ESA mit der Durchführung dieses ehrgeizigen Projekts beauftragt. Die Arbeiten sind in kommerzieller Hinsicht sehr sensitiv und mit entsprechenden Auflagen bezüglich der Veröffentlichung der Ergebnisse verbunden, da die Produkte konkurrierender Hersteller miteinander verglichen werden. Das Projekt wurde vor Kurzem erfolgreich abgeschlossen, wobei sehr interessante Ergebnisse erreicht und teilweise publiziert wurden [1].

Für den fairen Vergleich gab das FBH ein prinzipielles Epitaxie-Design der Mikrowellen-Leistungstransistoren für Anwendungen im Bereich des L- und des X-Bandes vor und stimmte dieses mit 9 internationalen Epitaxieherstellern ab (5 europäische, 2 amerikanische und 2 japanische Firmen bzw. Forschungsinstitute). Damit wurde für jeden Hersteller die gleiche Startbedingung sicher gestellt. Die Epitaxieschichten wurden dann von jedem Hersteller auf si-SiC gewachsen und dem FBH für ausführliche Materialuntersuchungen sowie, nach der Prozessierung, für Untersuchungen von Eigenschaften und Zuverlässigkeiten der Bauelemente übergeben. Das Risiko von Prozessschwankungen wurde durch Aufspaltung der Wafer in zwei hintereinander abfolgende Prozessruns minimiert.

Die erste Charakterisierungsphase beschäftigte sich mit der zerstörungsfreien Materialanalytik, bestehend aus Messungen von Waferdurchbiegung und Oberflächenrauigkeit mittels optischer Methoden, von Dicken und Zusammensetzungen der Epitaxieschichten mittels Röntgendiffraktometrie und der  Defektdichte mittels des Inspektionssystems Candela als optische Charakterisierungstechnik. Diese Untersuchungen  wurden an jedem Wafer durchgeführt, um eine volle Vergleichbarkeit zu gewährleisten. Der anschließenden Bauelementprozessierung schloss sich eine umfassende DC- und HF-Charakterisierung der Bauelemente an. Sie lieferten elektrische Daten zum inneren Aufbau der Transistoren wie Kontakt- und Schichtwiderstände, Transistorkenndaten an sich wie maximaler Drainstrom, Abschnür- und Durchbruchspannung, Leckströme sowie die wichtigsten Mikrowellenkenndaten wie Leistungsverstärkung, Maximalleistung und Wirkungsgrad. Von allen Parametern liegen nun vollständige Wafermaps vor, so dass eine umfassende statistische Aufbereitung der Daten auch in Verbindung mit potenziellen Inhomogenitäten auf den Wafern möglich ist. Zuverlässigkeitsanalysen an ausgewählten Wafern und Bauelementen schlossen die Arbeiten ab.

Speziell entworfen Bauelemente mit sehr guten elektrischen und Stabilitätseigenschaften wurden der ESA für die Mission Alphasat zur Verfügung gestellt. In diesem Projekt sollen erstmalig GaN-Bauelemente aus europäischer Fertigung im Weltraum erprobt werden. Die Bauelemente aus dem Projekt wurden erfolgreich bezüglich der elektrischen Eigenschaften und der Stabilität getestet [2], sie sind bereits in ein Flugmodul integriert und befinden sich derzeit auf den Vibrations-Testanlagen zur Simulation eines Raketenstarts.

Publikationen:

[1] P. Kurpas, I. Selvanathan, M. Schulz, H. Sahin, P. Ivo, M. Matalla, J. Splettstoesser, A. Barnes, J. Würfl, "Stable and reproducible AlGaN/GaN-HFET processing highly tolerant for epitaxial quality variations", Conf. Dig. CS MANTECH 2010, Portland, USA, May 17-20, pp. 141-144 (2010).

[2] H. Mostardinha, P.M. Cabral, N.B. Carvalho, P. Kurpas, M. Rudolph, J. Würfl, J.C. Pinto, A. Barnes, and F. Garat, "GaN RF Oscillator Used in Space Applications", Workshop on Integrated Nonlinear Microwave and Millimeter-Wave Circuits (INMMIC2010), Goteborg, Sweden, April 26-27, pp.50-53 (2010).

Diodenlaser mit schmalem Fernfeld lassen sich kostengünstig und mit hoher Effizienz in optische Systeme einkoppeln – diese Eigenschaft macht sie auch kommerziell sehr attraktiv. Insbesondere der Abstrahlwinkel muss dabei minimiert werden, da er 95% der emittierten optischen Leistung enthält. Dadurch kann Streulicht im optischen System beseitigt werden, und dies ist zugleich die Voraussetzung für den kommerziellen Einsatz derartiger Laser.

Wissenschaftler am FBH haben kürzlich Hochleistungs-Ridge-Waveguide-Laser mit extrem schmalem lateralem und vertikalem Fernfeld von 12° und 17° mit 95% Energieleistung demonstriert. Die Laser arbeiten knickfrei in einer einzigen lateralen Mode bei CW-Leistungen von über 1 W und erzielen Ausgangsleistungen von mehr als 2,5 W.

Die schmalen Fernfelder konnten durch zwei Designentwicklungen erreicht werden. Zum einen wurde eine sehr dicke (8,6 µm), besonders große Kavität verwendet, die ein breites Nahfeld und folglich schmales Fernfeld liefert. Erreicht der Wellenleiter eine derartige Dicke, spielt die aktive Zone eine zunehmende Rolle im Wellenleiter, da sie die Vollbreite deutlich erweitert. Daher wurden zum anderen spezielle Quantenbarrieren mit niedrigem Brechungsindex entwickelt, die den hohen Index in den Quantentöpfen kompensieren und ein deutlich schmales Fernfeld ermöglichen. Die hier gezeigten Ergebnisse wurden mit Ridge-Waveguide-Lasern erreicht, die auf diesem Design basieren und mit 6 mm langer Kavität, 7 µm Streifenbreite und der p-Seite nach unten auf C-Mount montiert wurden.

Publikation:

A. Pietrzak et al. "High Power 1060 nm Ridge Waveguide Lasers with Low-Index Quantum Barriers for Narrow Divergence Angle", Tech. Dig. CLEO/QELS 2010, paper CWE2 (2010).

Als kompakte Lichtquellen sind Leuchtdioden (LEDs), die im ultravioletten (UV) Spektralbereich emittieren, für den Einsatz bei der Wasserreinigung, dem Aushärten von Kunststoffen, der Spektroskopie oder der Bioanalytik interessant. Für viele dieser Anwendungen muss die derzeit noch geringe Effizienz der UV-LEDs deutlich erhöht werden. Eine der zu lösenden Aufgaben besteht darin, dass ein Großteil des erzeugten UV-Lichts den Chip nicht verlässt sondern durch interne Absorption verloren geht. Mit einem neuartigen Ansatz beim Design des Halbleiterchips ist dem FBH hier ein Durchbruch gelungen. Im Unterschied zu herkömmlichen UV-LEDs wurde anstelle eines großflächigen elektrischen Kontakts oberhalb des lichtemittierenden Bereiches eine Matrix von Nanokontakten aus Palladium, sogenannte Nanopixel, verwendet und deren Zwischenräume durch Aluminium aufgefüllt. Während die Nanopixel für eine effiziente Strominjektion sorgen, wirkt das Aluminium als effizienter Reflektor für das UV-Licht und reduziert somit die Absorptionsverluste an der Chipoberfläche.

Die Funktionalität des Nanopixelkonzepts wurde anhand von LEDs, die bei einer Wellenlänge von 390 nm emittieren, nachgewiesen [vergleiche Lobo et al., Appl. Phys. Lett. 96, 081109 (2010)]. Lagen die Größe und der Abstand der Nanopixel im Bereich von 1 µm, so war die Effizienz entsprechender LEDs um bis zu 90% höher als bei konventionellen Kontaktdesigns. Theoretische Berechnungen haben gezeigt, dass erst bei diesen kleinen Dimensionen die Ströme aus den einzelnen Nanopixeln im Bereich der aktiven Zone überlappen, sodass für die Emission im Bereich zwischen den Nanopixeln der darüber liegende Reflektor wirksam wird. Gegenwärtig werden LEDs mit Nanopixelkontakten auch für kürzere Wellenlängen entwickelt und mit anderen Verfahren zur Steigerung der Lichtextraktionseffizienz und Senkung des thermischen Widerstandes kombiniert.

Im Juni 2010 wurde die neue Elektronenstrahl-Belichtungsanlage (E-Beam) SB251 der Firma VISTEC dem FBH termingerecht übergeben. Die Formstrahl-Anlage erlaubt Belichtungen mit einer Präzision von unter 50 nm auf bis zu 8-Zoll-Wafern und ist eines der zentralen Geräte für die Bauelementeentwicklung nach dem neuesten technologischen Stand.

Unter anderem wurde die Leistungsfähigkeit der Anlage für Gatetechnologien von Hochleistungstransistoren und für Gittertechnologien optoelektronischer Bauelemente nachgewiesen. Basierend auf der FBH-Technologie wurden durch Metall-Lift-off 50 nm breite Metallstreifen erzeugt und T-Gates mit 150 nm Fußbreite sicher nachgewiesen. Gitterstrukturen mit 70 nm Linienbreite ("lines and spaces") wurden mit einem Standard-Lackprozess des FBH erzeugt.

Vor dem Einbau der Ebeam mussten zunächst die anspruchsvollen Betriebsvoraussetzungen in Bezug auf Temperaturstabilität, elektromagnetische Wechselfelder und mechanische Schwingungen geschaffen werden. Dafür waren umfangreiche Umbauten im Herbst 2009 nötig: der Reinraum wurde stillgelegt um ein neues Fundament zu errichten und die Klimaanlage zu modernisieren. Geliefert wurde die Anlage Anfang Dezember 2009 und in den Reinraum eingebracht. Bereits im April 2010 war die SB251 vollständig betriebsbereit und wurde seitdem regelmäßig zum Belichten von Lithographiemasken eingesetzt.